1.2 大學物理實驗的基本要求

科學的發展歷史已經證明：科學的理論來源于科學的實踐，并指導我們的實踐；科學理論要受到實踐的檢驗，并在實踐中不斷地得到修正、補充和完善。對于科學研究來講，科學實驗是最重要、最基本的實踐活動。而且隨著社會的發展和研究的深入，科學實驗的重要性和基本性將會越來越突出。

科學實驗是根據研究目的，通過積極的構思，利用科學儀器設備等物質手段，人為地控制和模擬自然現象，使自然過程或生產過程以比較純粹的或典型的形式表現出來，從而在有利條件下，探索自然規律的一種研究方法。

科學實驗的主要任務，是研究人類尚未認識或尚未充分認識的自然過程，發現未知的自然規律，創立新學說、新理論，研發新材料、新方法、新工藝，為生產實踐提供科學的理論依據，促進生產技術的進步和革命，提高人們改造自然的能力。

物理理論的建立也遵循這一過程，是通過由物理實踐到物理理論，再由物理理論到實踐的辯證過程建立和發展起來的。通過對物理學歷史地、全面地考察可以發現，物理學本質上是一門實驗科學。首先，物理概念的建立、物理規律的發現依賴于物理實驗，是以實驗為基礎的，物理學作為一門科學的地位是由物理實驗予以確立的；其次，已有的物理定律、物理假說、物理理論必須接受實驗的檢驗，如果正確就予以確定，如果不正確就予以否定，如果不完全正確就予以修正。例如，普朗克在黑體輻射實驗的基礎上提出了能量子概念；愛因斯坦通過分析光電效應現象提出了光量子；伽利略用新發明的望遠鏡觀察到木星有 4 顆衛星后，否定了地心說；楊氏雙縫干涉實驗證實了光的波動假說的正確性。可以說，物理學的每一次進步都離不開實驗。

在進行物理實踐的過程中，由于所涉及的研究對象、實踐的目的、采用的研究方法、獲得的結論的層次等方面特征的不同，我們通常將物理學的實踐活動分為觀察和實驗兩種基本類型。下面簡述其概念和特征。

1.觀察

所謂觀察，就是對自然界中發生的某種現象，在不改變其自然條件的情況下，按照原來的樣子加以研究的過程。比如，我們對天空觀察后發現，晴朗無云的天空是藍色的；通過對氣候的觀察發現，一年可以分為春、夏、秋、冬四季。觀察的特征是：

（1）現象是在自然狀態下發生的，通常沒有人為限制。因此，一般地講，觀察這種實踐活動是簡便易行的，是一種可以經常進行的實踐活動，也是對現象進行深入研究的基礎。在科學實踐中，養成觀察的習慣，掌握觀察的方法，對一位科學研究者來說是極其重要的素質之一。

（2）一般來講，影響自然現象的因素是多而復雜的，通過觀察一般只需對現象做定性研究，即了解影響現象的主要因素及大致關系，其研究是不夠準確、不夠深刻的。

2.實驗

所謂實驗，則是在人工控制的條件下，抑制次要因素，突出主要因素，使現象能夠向著更加直接、更加單純的方向進行，并能反復重演，從而借助儀器設備對影響現象的因素進行測量的研究過程。實驗的特征是：

（1）可以按照研究的需要和目的人為地簡化和控制現象發生和進行的條件，其目的是為了突出主要因素，排除或減少次要因素的干擾和影響，使過程的進行更直接、更純粹，以獲得明確的結果。可見，實驗也是物理學中一種重要的研究方法，實驗對物理學的發展起著十分重要的作用，過去是這樣，現在是這樣，將來也一定是這樣。比如，伽利略用落體實驗駁倒了亞里士多德的“重的物體落得快，輕的物體落得慢”的說法，他在斜面實驗的基礎上指出：力不是維持運動的原因，物體的運動不需要力來維持。我們知道是伽利略開創了物理學的實驗方法，也正是因為實驗方法的引入才使物理學真正成為一門科學。牛頓“最偉大的宇宙定律”的正確性，是因為它能計算出哈雷彗星的運行周期（約76年），解釋了潮汐現象，指出了（當時）太陽系中還應有所謂冥王星、海王星的存在。偉大的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于1864年將電和磁“合”在了一起，把描述電學規律和磁學規律的關系式總結為優美的麥克斯韋方程組，他由此預言了電磁場和電磁波，指出光是一種電磁波。而這一結論的正確性是在經過了24年——也是麥克斯韋逝世（1879年）9年之后的1888年，才由赫茲實驗向世界宣布的。

我們現在的粒子物理學理論是以物質的夸克模型為基礎的，即是說，如果找不到這6種組成物質的夸克——上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克，或者說，即使找到了其中的5個，粒子物理學的現行理論也將重建。因此，從1964年提出夸克模型之后，許多著名的物理學家都開始致力于尋找夸克的工作。到1976年，就已經找到了前5種夸克，而頂夸克卻不見蹤跡，但科學家們并不氣餒。幸運的是，在1993—1994年間，科學家們終于找到了頂夸克的蹤跡，1995年3月2日美國科學家正式向世界宣布了頂夸克已被捉到。此外，值得一提的是，世界科學界最崇高的獎勵——諾貝爾獎，一般都授予與實驗有關的科學發現。

（2）實驗需要對現象進行定量研究。實驗一般都需要對影響現象發生的因素進行測量，以獲得較為精確的結論或規律。現在，幾乎所有物理問題最終都要被定量化。正因為如此，物理學才成為一門定量的、精確的科學。物理學家們在長期的研究實踐中，不僅創造了巧妙而豐富的實踐方法，而且在進行物理問題的定量化過程中，還創造了許多物理學特有的研究方法。所有這些，不僅對物理學，而且對自然科學的其他學科，以及工程技術和社會科學、社會生活等各個方面，都具有重要的作用和意義。

物理實驗在探索和研究新科技領域，在推動其他自然科學和工程技術的發展中，同樣起著重要的作用。自然科學迅速發展，新的科學分支層出不窮，但基礎學科就是數學和物理兩門，物理實驗是研究物理測量方法與實驗方法的科學，物理實驗的實驗技術和測量方法具有特殊的基本性和普遍性：力、熱、電、光等所有的自然現象。其基本性是指它是其他一切實驗的基礎。同時，它還具有通用性——實用于一切領域，很多工程技術問題或研究課題，如果把它們分解開來，實質上就是一些物理問題。在工程技術領域中，研制、生產、加工、運輸等過程都普遍涉及物理量的測量及物體運動狀態的控制，這正是成熟的物理實驗的推廣和應用。現代高科技的發展，其設計思想、方法和技術也來源于物理實驗，因此，物理實驗也是工程技術和現代高科技發展的基礎。

綜上所述，對一個高等工科學校的學生來講，不論專業如何，大學物理實驗都是一門重要的基礎課程。對所有高等工科學校的學生來講，了解和掌握這些進行實驗研究的方法和技巧，不僅對物理學理論的學習是重要的，而且對于后續課程的學習，尤其是對將來所從事的實際工作所需要具備的獨立工作能力和創新能力等素質來講，也是十分必要的，這是大學物理理論課不能做到也不能取代的。因此，大學物理實驗應該是工科學生的一門獨立且重要的必修基礎課程。