物理实验的基本类型

第三节　物理实验的基本类型

物理实验困不同的划分标准有不同的分类。例如，按研究问题的质与量划分，可分为定性实验、定量实验和结构分析实验；按实验的直接目的划分，可分为探索性实验、验证性实验和判决性实验；按实验手段划分，可分为对比实验、模拟实验等。

定性实验、定量实验和结构分析实验

（1）定性实验。

定性实验是用来判定研究对象是否具有某种性质、是否存在某种因素、某些因素之间是否有某种关系的实验。定性实验解决的是“有没有”、“是不是”的问题。

例如，德国塞贝克进行的温差电实验就是定性实验。他把小磁针置于钢制螺旋状线圈中间，把一块铋板和一块铜板直接接触，并分别与线圈的两端接成一回路。当铜板升温时，小磁针转动，这说明回路中有电流通过。这个电流是由于相互接触的不同金属存在温差造成的，称为温差电现象。

又如，1912年，劳厄让x射线通过硫酸铜晶体时，看到晶体后面的胶片上呈现排列规则的感光点，因而判定x射线通过晶体时能发生衍射。对波长极短的x射线来说，原子间距就像不透明的“屏”上开了许多窄缝，因此，呈现出衍射图像。

中学物理教材中介绍的惯性实验、热传导实验、液体的沸腾、气体的扩散、小孔成像、光的直线传播、电流的磁效应等都属于定性实验。当然，定性实验并非绝对不研究量的问题，实质上，某种实验现象从无到有，本身就有量的意义。

（2）定量实验。

定量实验是用以测定某对象的数值，或者求出某些因素之间的数量关系，或者用数量关系去表明某些规律的实验。

例如，光速的测定，就是科学史上有名的一个定量实验。这项实验，前后历时200余年，才获得了较为满意的结果。下面是关于这个实验的描述：

“1849年，法国物理学家斐索安装了一套装置，他让闪光射向8千米远的镜子上，再反射回观察者这里。闪光来回通过16千米路程所用的时间不超过1/20000秒，但斐索在光束的路径上放了一个高速旋转的齿轮，因而能够测出这段时间。

当齿轮以某一转速旋转时，从某两齿之间穿过的一个闪光再从镜面反射回来时将被下一个齿挡住，于是，齿轮后面的观察者就看不见闪光。但当齿轮的转速提高时，返回的闪光就不会被挡住，而能穿过下一个齿隙。这样，只要控制并测出齿轮的转速，就能求出时间间隔，从而计算出闪光行进的速度了。”

又如，为了验证广义相对论关于“光线在太阳边缘将有1.75″偏转角”的预言，英国的两个观测队于l9l9年分别在西非和巴西观察日全食，证实了光线从太阳旁经过时弯曲的程度几乎与爱因斯坦所预言的一样：前者为1.61″±0.30″，后者为1.98″±0.12″。

再如，对介子寿命的实验研究证实了能量为250兆电子伏物理发现的艺术物理探索中的机智运筹特的特快介子寿命为2×10^－3秒，这极好地符合相对论的推论Δt′＝物理教材中关于长度、质量、密度等物理量的测量，研究电流强度与电阻、电压的定量关系，研究加速度与力、质量的关系等实验都属于定量实验。

（3）结构分析实验。

结构分析实验是用以了解被研究对象内部各种成分之间的空间结构的实验。它既包含定量的方面，又包含定性的方面。

19世纪初，法国物理学家比奥在实验中发现：当平面偏振光通过石英晶体时，偏振面会发生扭转，也就是说，光入射时在一个平面上振动，而射出时则在另一个平面上振动。具有这种作用的物质叫做“旋光性”物质。

某些石英晶体使振动平面按顺时针方向扭转（右旋），另一些石英晶体则使它按逆时针方向扭转（左旋）。比奥在实验中还发现某些有机化合物如樟脑和酒石酸，对光束具有与石英相同的作用。后来证明，光束扭转的原因，是分子中原子排列的某种不对称性造成的。这一实验，就属于结构分析实验。

探索性、验证性及判决性实验

（1）探索性实验。

探索性实验是指人们从事开创性的研究工作时，为了探寻自然事物或现象的性质以及规律所进行的实践活动，其特点是实验前人们对研究对象不了解。例如，法拉第电磁感应定律的发现、富兰克林“捕捉雷电”的实验等都属于探索性实验。

物理教学中对电磁感应现象、平抛运动规律、互成角度两个其点力的合成的研究等都属于探索性实验。

（2）验证性实验。

在物理学研究中，当人们对研究对象有了一定认识之后，根据已知的理论和实验，对一些物理现象的存在、原因或规律作出推测、提出假说或形成新的理论时，为了检验它们正确与否而设计的实验叫验证性实验。

例如，如前所述，1979年美国物理学家莫玮和中国物理学家王祝翔等人合作，通过μ中微子和电子的碰撞实验，验证了温伯格关于新统一假说的正确性；吴健雄通过实验验证了李政道、杨振宁提出的“弱相互作用下宇称不守恒”的假说。他们所做的实验都是验证性实验。验证性实验又可分为两类：一类是直接验证，如赫兹通过实验直接证实了电磁波的存在和传播；另一类是间接验证，即不去验证理论本身，而是验证其推论，如对广义相对论的验证就是验证其推论的。

物理教材中的学生实验大多都是验证性实验。

（3）判决性实验。

判决性实验是人们为了验证科学假说、理论或设计方案的正确与否而没计的、予以最后判决的实验，也就是用来判决某种假说生死存亡的实验。例如，迈克尔逊一莫雷实验就判决了“以太”是不存在的。早自笛卡尔起，物理学界就流行着“以太假说”，认为以太是一种构造微妙的介质，它充塞于整个手宙之中。电磁波（包括光）依靠以太传播，正如声波依靠空气传播一样。

2个世纪以后，美国物理学家迈克尔逊在化学家莫雷的苜作下，于1887年进行了一次精密的实验。实验结果表明，不管他们将仪器对准地球运动的哪个方向，不管重复多少次，地球相对于以太的运动都是不存在的，从而否定了以太假说。

对比实验与模拟实验

1.对比实验。

对比实验是通过对照比较、分析研究的方法，达到异中求同或同中求异的目的，以揭示所研究事物的某种性质或规律的实验。对比实验可以采取横向对比或纵向对比的方式。横向对比一般是把研究对象分为2个或2个以上组群：一个是对照组，为作比较的标准；另一个是实验组，通过某种实验步骤以便确定对实验组的影响，如用黑白颜色截然不同的两种物体表面对比研究物体的吸热本领。纵向对比是时间前后的对比，即对同一组进行施加影响因素前和施加影响因素后的对比。在物理教学中，当研究密度、比热、电阻等表征物质特性的物理量时，采用对比实验是很有效的方法。

2.模拟实验。

以上列举的各种类型的实验，都是直接对研究对象进行实验。但是，有时受到客观条件的限制，人们不能直接对某些自然现象进行实验，于是就先设计与该自然现象相似的模型，通过模型间接地研究这些自然现象的规律性，从而使研究者能够用较短的时间、方便的空间、较小的代价获得可靠的实验结果。这种实验就是模拟实验。

例如，1672—1676年，丹麦的勒麦在巴黎天文台利用木星的卫星食测定光速时，为了使时间差和光程有足够大的数值，需要持续观察卫星绕木星旋转若下个周期，再加上实验中产生误差的环节较多，所以，既费时又费力且不精确。随着实验技术和设备的改进，斐索于1849年使用旋转齿轮来模拟木星卫星食的天文观察，实现了人为控制的光速测定实验。

1862年，法国的傅科利用旋转镜代替旋转齿轮测定光速，使光程缩短到几米，后来迈克尔逊也做了大量测定光速的实验。这些模拟方法都比利用自然现象测定光速优越得多。

在现代物理研究中，模拟实验也是经常应用的一种方法。例如，为了研究大气运行的规律，人们就将大气运行的主要现象在实验室里重演出来。在中国科学院大气环流模拟实验室里，可以将由地面垂直向上几万米的整个大气层的运动在实验室里再现出来。

大气环流模拟实验台，每半分钟左右转一圈，能模拟一天的气候变化，3个多小时就能模拟一年的气候变化。随着生产和科学技术的发展，实验手段越来越强，实验方法越来越多，模拟实验在科学研究中的地位也越来越重要。我们可以在“风洞实验室”对飞机的飞行进行模拟研究：可以在“碰撞实验室”模拟汽车与障碍物相撞时出现的种种现象，并利用计算机进行现场计算，给出定量的结果。