下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
物理学是一门以实验为基础的自然科学。物理学的理论或假说来源于物理学家的观察、实验和思考，物理学理论中的结论都要经过实验的检验，以判断是否正确，因此可以说没有实验就没有物理学。下面将从物理学的特点、物理实验在物理发展中地位与作用等方面，探讨实验与物理之间的密切关系。
物理学是研究自然界物质运动的一般规律和物质基本结构的科学，基于观察与实验、物理模型、应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。物理学在发展过程中形成了如下特点：①实践性。观察、实验是物理学的基础，一切科学理论都应以实践检验为标准。②简明的结构性。物理学以概念为基础，以规律为主干，有着简明的逻辑体系。③精确性。物理学把物理概念加以量化而成为物理量，利用数学来描述，并达到定量应用的水平。
物理学的发展经历了从古代物理学时期（萌芽时期）到经典物理学时期再到现代物理学时期的阶段，物理实验方法的科学性逐步提高，实验对物理学的巨大推动作用逐步显现。
大约公元前八世纪至公元十七世纪，中国与希腊形成了东西方两个科技发展中心，科学以经验科学的形态从生产劳动中分离出来。这一时期的物理学是“自然哲学”的重要组成部分，人们主要是根据对自然现象、生产生活的观察以及简单粗糙的实验，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性，物理学基本上还处于对现象的描述、经验的简单总结和思辨性的猜测阶段。
在古代物理学的发展中，中外物理学先驱者们进行的大量工作，从系统地观测和记录，在人为条件下重复物理现象、确定量度标准和仪器、制造实验和观测仪器等方面来看，都可称之为物理实验。其中，阿基米德的浮力实验、托勒密的光学折射实验、赵友钦的小孔成像实验等，甚至可被称为有重要意义的物理实验。
在这一时期，物理实验有以下特点：①实验零星，没有形成系统；②定量实验较少，定性实验较多；③大多数实验局限于现象的描述或一般的解释，没有进行归纳而形成系统的理论；④没有用实验来检验已有的理论。
由此可见，古代物理学中的实验方法和科学思想水平还是比较低的，因此，古代物理学还没有走上近现代科学的道路。
经典物理学诞生于17世纪的文艺复兴和科学革命时期，历经从17世纪到19世纪末的发展，达到了比较完整和成熟的状态。在经典物理学的发展过程中，经典物理实验起到了很大的推动和促进作用，以伽利略为代表的一大批杰出的科学家，把实验方法与物理规律的研究结合起来，对物理学的发展做出了划时代的贡献。具体有以下四点贡献。
1. 形成近代科学研究方法。伽利略把实验与数学结合起来，既注意逻辑推理，又依靠实验协助，构成了一套完整的科学研究方法。其程序大致如图1所示：
图1 物理学的科学研究方法流程图
其中，实验检验包括物理的（实际的）及思想的实验检验，形成的理论包括对假设进行的修正和推广。
2. 在实验中抛开一些次要因素，抓主要问题。既要力求使实验条件尽可能符合数学要求，以便获得超越这一实验本身的特殊条件的认识，又要设法改变实验测量的条件。如：物体下落时不考虑空气阻力；进行斜面实验，把物体自由下落的时间“放大”，以便在当时的技术条件下能够测量等。
3. 用实验去验证理论。伽利略认为科学实验是为了证明理论概念（或观察规律）而去做的，不应该是盲目的、无计划的；而理论（数学）又必须服从实验检验。
4. 把实验与理论联系起来。伽利略在实验的基础上，进行理论的演绎和逻辑的推理，可得出越过实验本身的、更为普遍的理论结论。他认为，实验可以用来决定一些原理，并作为演绎方法的出发点。
伽利略把科学的实验方法发展到了一个全新的高度，使物理学走上了真正科学的道路，从此开始了物理学的新时代。
19世纪末，正当物理学家庆贺物理学大厦落成之际，物理学实验却发现了许多经典物理理论无法解释的事实。其中，电子、X射线和放射性现象的发现具有根本性意义，被称为19世纪与20世纪之交物理学的三大发现。这些事实与经典物理理论产生了矛盾，从而引起了物理学的革命，导致了现代物理学的诞生。通过归纳总结发现，现代物理实验有以下一些特点和趋势。
1. 实验与物理理论紧密地结合，成为相互依赖和不可分割的结合体。物理实验需要理论（包括实验理论）的指导，在理论的预测和条件范围内去进行，而不是无的放矢。
2. 实验需要先进的技术和仪器设备。常规的仪器设备和简单的方法已不能满足当代探索物理世界的需求，物理学要探索更细微的结构、更远的距离、更短的时间、更大或更小的压强、更高或更低的温度等，这些需要实验具有更高的精确度，也需要更先进的技术和仪器设备。
3. 物理实验方法与其他学科的结合和向其他学科的渗透，使得新的实验方法和技术更快地在多种应用领域推广使用。
4. 当代前沿的物理实验往往是大规模的、合作的、综合的工程。它的设计、建设和使用需要各方面的科学家和工程技术人员共同合作完成。另外，还需要有许多辅助的和配套的工作，最前沿的科学实验还需要国际合作。如Belle Ⅱ实验是运行在日本高能加速器研究机构（KEK）的大型高能物理实验，Belle Ⅱ合作组聚集了全世界26个国家和地区共115个研究单位的1000余名物理学家，从事标准模型的精确检验及新物理的寻找等开放性前沿课题的研究。
5. 建立和利用空间实验室，充分利用外太空高真空、无污染、失重等天然有利条件。
从物理学的发展进程来看，物理实验既是物理学的基础，也是物理学发展的动力之一，在物理学发展中发挥着如下的作用：
在经典物理发展中，伽利略的斜面实验、胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验等都为经典力学提供了实验事实，并在此基础上发现了新规律。在电学方面，库仑定律、欧姆定律、法拉第电解定律和电磁感应定律等的发现，无一不是通过大量的实验结果归纳和总结出来的。在光学方面，光的干涉、衍射、偏振等现象也是首先在实验中发现的。这一切都说明了实验成为物理学发展的基础。
理论是物理学的核心，理论是否正确必须接受实验的检验。实验的结果可以证实或证伪理论。比如：麦克斯韦的电磁场理论只有当预言的电磁波被赫兹的实验证实后才真正成为电磁理论的基础，爱因斯坦的光量子假说被1916年的密立根光电效应实验证实后，光的波粒二象性才被人们接受；德布罗意的物质波假说也是在发现了电子衍射后得到肯定的。理论有一定的适用范围，这个范围往往也需要由实验在检验理论的过程中来确定。
物理学中的常数有两类。一类是物质常数，如比热、电阻率、折射率等，这些常数在一定条件下会随某一因素而改变。另一类是基本常数，它是物理学中的普适常数，如真空中的光速、元电荷、普朗克常数等。
在物理学中，大量的实验是围绕常数进行的，特别是基本常数的研究和确定，在物理学的发展史上占有极其重要的地位。例如，万有引力常数的数值，从牛顿发现万有引力定律以来一直是人们不断测量的对象。
常数之间的协调是检验物理理论的重要途径。基本物理常数的协调不仅是物理学也是科学技术的重大问题，因为每次协调都是在大量实验、取得众多新的研究成果的基础上做出的。例如，光速现在是测得最准的基本物理常数之一。1983年第17届国际计量大会决定以“光在真空中于
秒内行进的距离”作为“米”的新定义，这样就从根本上免去了长度单位的物质基准。
现代社会的许多技术，如蒸汽技术、电工和电子技术，都离不开实验。各种发明创造，都是经过大量的实验研究才日臻完善的。光谱学、激光、核磁共振、穆斯堡尔谱学、超导器件等都凝聚了实验物理学家的心血。
总之，实验在物理学的发展中发挥了巨大的作用。特别要指出的是，作为物理科学的最高荣誉——诺贝尔物理学奖从1901-1992年共有140位获奖者，其中因实验而获奖的科学家就有103人，约占74%。丁肇中教授在1976年荣获诺贝尔物理学奖时所写的一封信中说：“事实上，自然科学理论离不开实验的基础。特别是物理学是从实验中产生的。”
实验和观察是人类特殊的认知活动，在人类认识自然的过程中有着特殊的认识论意义。
实验和观察是适应自然科学，出于探索自然的需要而产生并为自然科学的研究服务的，作为认识手段包含在自然科学的研究过程中，正如科学史研究者丹皮尔在1958年出版的《科学史》中所说，“观察和实验既是理性的起点，也是最后的裁判”，实验和观察作为自然科学认识的来源和检验真理的标准，起着至关重要的作用。
1. 共同点。实验和观察是一种感性活动，人们通过实验和观察来感知自然界的对象和现象，而且是有目的和有选择地去感知我们需要的东西，为科学研究提供事实基础。在实验和观察中都可以使用仪器，仪器是人们感官的延伸，能够感知人类感官所不能直接感受的对象和现象。
2. 区别。观察是为了科学研究的某一目的，有计划、有选择和能动地对自然条件下所发生的某种特定过程或现象，做出系统和仔细的考察。观察的主要对象是自然条件下的物理过程和现象，整个过程不进行人工的干预。
实验是在人工控制的条件下复制或模拟自然现象并在实验过程中干预现象的过程。其主要优点有：①实验能使我们得到在自然条件下遇不到的现象和条件，从而提高实验认识，比如借助实验，产生接近绝对零度的超低温，研究超导现象；②人为控制和人为创造实验条件来加速或延缓自然界现象的过程，可以使我们能够对这些过程进行仔细的观察和研究；③由于人为控制和人为改变现象发生的条件，干预现象的进程能够很好地暴露现象中各种内在和外在因素之间的互相联系，从而比较容易认识和把握对象；④使现象在纯粹的形态下表现出来，排除自然条件下的干扰；⑤根据需要多次重复某一现象，而不需要在自然条件下寻找和等待。运用实验往往需要满足两个条件：第一，所研究的对象和现象的性质有可能进行复制；第二，已经事先具备了相应的知识，能够对相关的现象进行复制。
测量是指在物理学中利用各种仪器、仪表确定物理量数值，是对非量化事物的量化过程，也就是被测物理量与体现计量单位的标准量的比较过程。测量包含四要素：测量的客体、计量单位、测量方法、测量精度。
1. 测量的客体：即测量对象，物理学中的测量对象包括长度、面积、体积、角度、时间、温度、速度、功、能、电流、电压、电阻、电功率、光照强度、电场强度等物理量。
2. 计量单位：根据2018年10月26日修订的《中华人民共和国计量法》第三条规定，“国家实行法定计量单位制度。国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位，为国家法定计量单位”。国际单位制（SI）中的七个基本量及其单位如表1所示：
表1 七个基本量及单位
3. 测量方法：获得测量结果的方式，也就是测量时一组操作的逻辑顺序。
4. 测量精度：测量结果与真实值的一致程度。测量精度与测量方法、测量工具、观测者的测量技能密切相关，同时也不能忽视周围环境对测量仪器及实验观测带来的影响，所以测量结果与客观存在的真实值之间总有一定误差。
物理量的测量是物理实验的基本方法。在物理实验中，总要进行大量的测量工作。测量包含两个必要的过程，一是对许多物理量进行检测；二是对测量的数据进行处理。在实验前，必须对所观测的对象进行分析研究，以确定测量方法和选择具有适当精度的测量仪器。在实验后，对测得的数据加以整理、归纳，用一定的方式（列表或图解）表示出它们之间的相互关系，并对实验结果给予合理的解释，做出正确判断。
物理实验有两个最基本的目的：一是利用各种实验手段，观察或探索未加阐明的新事实材料，为物理理论的建立提供了事实基础；二是利用各种实验手段，判断或验证某些假说或科学理论，成为理论是否成立的判据。
实验与理论的关系在现代物理学的研究中更为密切。“实验—理论—实验—理论—实验……”是现代物理学发展的基本模式。现代物理理论对物理实验具有指导作用，它既影响着整个实验的方向，还直接影响实验的设计、方法以及对实验结果的分析。