“物理實驗”一詞的不同含義的探析*

朱 琴

一、問題的提出

物理學和中學物理教學中都十分重視實驗。丁肇中先生說：“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗。”閻金鐸先生提出：“在物理教學的過程中，應當按照觀察—實驗—思維和應用的順序展開。”兩者談到“實驗”的含義完全相同嗎？顯然前者談到的“實驗”屬于物理學科領域，后者屬于中學物理教學領域，在這兩個領域中“實驗”的作用是不一樣的。筆者通過“實驗”在這兩個領域中的不同作用來詮釋它的含義，以期對中學物理教師有所啟發和幫助。

二、物理學建立過程中“實驗”的作用

1.研究背景

了解物理學是如何發展起來的，以及物理學理論與實驗兩者之間的關系、物理學家做實驗的目的。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中對物理學的表述：物理學是自然科學領域的一門基礎學科，研究自然界物質的基本結構、相互作用和運動規律。物理學基于觀察與實驗，建構理想模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證，形成系統的理論體系和研究方法。

因此，可以認為物理學包括兩部分，一是通過科學思維，利用數學語言建立起具有邏輯關系的理論體系，二是理論體系必須接受實驗檢驗。理論通過演繹推理得到更多的推論進行預言，通過實驗“證實”預言，也就間接“證實”了新理論，同時舊理論就被“證偽”，需要根據新的實驗現象修正原來的理論或者創立新的理論，原來的理論會被擯棄或者成為新理論的一個極限情況存在，如圖1所示。

圖1 物理學理論與實驗的關系

物理學理論是在一定范圍內被證實，并不是一成不變的，隨著人們對客觀世界的深入認識而不斷地得到發展和完善，使得物理學理論的表述更精準、更清晰時，也可能被否認，也越來越科學、越來越接近真理，當然真理是相對的。

可見，物理學中的“實驗”主要是用來支撐和檢驗物理學理論體系，這些“物理實驗”很關鍵且在數量上是力求少而精，它被稱之為物理學“實驗”，舉例說明見表1。

表1 支撐和檢驗物理學理論體系的關鍵性實驗

2.觀點

理論體系不是在實驗基礎上總結歸納得出的，理論體系只需要幾個關鍵性的實驗支撐和檢驗，實驗是理論的試金石。

實例：牛頓第二定律

牛頓第二定律是理論假說，不是由實驗歸納總結得出的定律，其推論需要實驗檢驗和支撐。牛頓第二定律與其推論之間滿足理論自洽，環環相扣，一旦推論被確證，牛頓第二定律就被間接證實。

《自然哲學的數學原理》一書的構思，主要是為了解決天體問題。牛頓從牛頓第二定律出發，結合萬有引力定律和微積分成功解釋了開普勒行星運動定律。要驗證萬有引力定律是否正確，測萬有引力常量實驗就成了支撐整個牛頓力學體系的關鍵性實驗。實驗工作者對該定律提出一系列的問題，例如：G的精確值是多大？它是一個常量還是會隨時間和地點而變化？引力是嚴格地與距離的平方成反比嗎？它與兩物體的組成相關嗎？引力與物體的運動狀態有關嗎？對萬有引力常量G的精確測量不僅具有計量學上的意義，更關鍵是對于檢驗牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規律具有重要意義，是牛頓力學體系建立的基石。

由于引力相互作用極其微弱且不可屏蔽，因此，萬有引力常量G是最難測定常量之一。G是歷史上最早被認識和測量的物理常量，但G的測量精度仍然是物理學基本常量中最差的。300多年來，不少科學家在努力測量G值并讓它更精確。2018年8月，《自然》雜志發表了中國科學家測量萬有引力常量的研究，測出了截至目前最精確的G值。

3.評論

經典電磁學和愛因斯坦的廣義相對論亦是由獨立的幾個原理和推論構成的理論體系，不是實踐經驗的歸納，也無法做到完全歸納。理論的正確性需無數個實驗“證實”，理論的錯誤卻只需要一個實驗“證偽”，實驗的功能是“證偽”。因此物理學理論只需要很少的幾個關鍵性物理實驗支撐和檢驗。

三、在中學物理教學中“實驗”的作用

中學物理教學中的“實驗”除了有物理學發展中的關鍵性實驗和物性實驗(如探究胡克定律)外，還有大量的在物理學研究內容中都不存在的自制實驗，這些實驗是用來有效補充學生直觀經驗、培養實驗能力和訓練實驗技能的，是教師發揮自己的聰明才智創造出來的，不限數量，其目的是促進學生物理學科核心素養的形成和終身學習能力的發展，不是物理學研究的需要，與物理學“實驗”作用不一樣，它被稱之為中學物理教學“實驗”，舉例說明見表2。

表2 同一“物理實驗”在中學物理教學中的作用與物理學發展中的作用不同

表2 (續)

下面通過實例談談它在中學物理教學中的作用。

觀點1：體會“物理實驗”是物理學理論的基礎、試金石，增強證據意識。

實例：庫侖扭秤實驗

庫侖扭秤實驗既是支撐和檢驗物理學理論體系的關鍵性實驗也是中學物理教學內容，但作用卻不一樣。

就物理學的發展而言，庫侖扭秤實驗使得電學研究從定性進入定量階段，并且在庫侖定律基礎上證明了高斯定律和環路定律，由此得到了靜電場的性質是有源無旋場，因此庫侖定律是靜電場的基礎。進而麥克斯韋在庫侖定律、安培-畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應定律的基礎上，得到了電磁場所遵循的規律—麥克斯韋方程組，這表明，庫侖定律是整個經典電磁理論的基礎，它確保了麥克斯韋方程組的精度與適用范圍。因此，庫侖扭秤實驗是支撐和檢驗經典電磁學的關鍵性實驗，精確測量靜電力常量k是關鍵。

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中對庫侖扭秤實驗的教學要求是體會探究庫侖定律過程中的科學思想和方法，以庫侖扭秤實驗知識點為載體，讓學生體會庫侖定律建立過程中的物理學思想和方法，以及庫侖扭秤實驗設計巧妙之處，而不是定量精確測定靜電力常量k的大小，況且在中學物理教學中也很難復現庫侖扭秤實驗。

觀點2：中學物理教學中大量“實驗”是對學生直觀經驗的有效補充。

實例：判斷滑動摩擦力的方向

教師可以通過演示實驗把物體的運動方向和相對運動方向分離出來，讓學生充分感知物體的運動方向和相對運動方向不一樣，在具體的物理情境中學生很容易判斷出滑動摩擦力的方向是阻礙相對運動方向而不是阻礙物體的運動方向。教師創造性地開發演示實驗使抽象知識可視化，帶領學生經歷從具體的物理事實和現象中抽象出物理概念和物理規律的過程，深入學習物理知識，在長期的示范過程中激發學生的創新潛能。

觀點3：中學物理教學中的“實驗”是物理實驗能力培養和技能訓練的有效手段。

實例：探究牛頓第二定律

人教版《高中物理(必修1)》(2019年版)中安排了一個探究牛頓第二定律的實驗，目的是為了學生更好地理解和掌握牛頓第二定律而設計。同時這個實驗對培養學生的物理實驗能力和操作技能而言是很好的載體。本實驗的原理、方案設計、裝置選擇、數據采集、數據表格設計、數據記錄、利用化曲為直的圖像法處理數據、得出實驗結論等一些系列科學探究環節能很好地培養學生的實驗能力和操作技能，是教師通過講授等其他途徑沒法實現的。實驗技能的熟練有利于知識的掌握，也是聯系物理知識與物理實驗能力的橋梁。

過分地強調實驗的作用也會帶來一些負面的影響：首先，這會帶給學生一種誤解，認為牛頓第二定律是在大量實驗的基礎上歸納總結得出的，實際上在物理學的發展史上不存在探究牛頓第二定律這個實驗。其次，由于引進了探究牛頓第二定律這個實驗，忽視了牛頓力學理論體系的建構過程，學生體會不到牛頓三大運動定律在牛頓力學體系中的基礎性地位，不能正確理解實驗與物理學理論體系之間的關系，不利于學生物理觀念的形成。對于學生而言，要理解到這一點是有困難的，但作為教師，這關乎學科核心素養問題，不能含糊。

觀點4：實驗是物理學研究方法的不可或缺的一部分。

實例：探究滑動摩擦力的大小

在初中學生已經學習了影響滑動摩擦力大小的因素，但是高中要在定性的基礎上得出定量計算式。雖然，本節內容在教材上沒有明確指出是演示實驗還是分組實驗，但就物理學本質而言，重要的不只是掌握物理規律及其應用，而是還要讓學生在經歷物理規律的科學探究過程中，掌握物理學研究方法與思想，這才是學科核心素養的關鍵所在。

由于高中物理內容涉及很多的物理規律，這些是培養學生科學探究能力的很好的知識載體，因此每一次探究物理規律的過程都是教師榜樣示范、學生親身經歷和體驗物理學研究方法難得的機會。

四、結語

物理學的“實驗”是理論的試金石，物理學理論體系僅需要幾個關鍵性的實驗來支撐和檢驗。中學物理中的“實驗”既有物理實驗又有教師創造性的“實驗”，其作用是圍繞物理教學。

教師只有明確“物理實驗”的真正含義，才能更好地發揮“物理實驗”在中學物理教學中的重要作用，促進學生物理學科核心素養的形成。