物理实验的基本程序

第四节　物理实验的基本程序

物理实验的基本程序一般包括实验课题的选择、实验的构思与设计、实验的实施、实验的观测与记录、实验数据的处理和实验结果的理论解释等步骤。

实验课题的选择

实验课题要根据实际需要、主客观条件和实验目的来确定，要明确为什么进行实验、重点解决什么问题；是探索性地研究一些量的关系，总结规律呢，还是验证某一假说、某一理论的正确与否。

实验选题关系到确定实验的主攻方向，因此具有战略意义。在确立选题的过程中，要了广解本门学科的历史、现状及存在的主要矛盾，善于发现物理学发展的每个阶段上出现的中心课题。这样，才能选准突破口、开辟新方向。

例如，20世纪初，人们是用α粒子和质子去轰击原子核产生人工核反应的。1932年查德威克发现中子后，意大利物理学家费米立刻意识到，不带电的中子易于进入原子核内部，对产生核裂变更为有效，因此最早提出用中子轰击原子核。此后，许多科学家都进行了中子对各种原子核效应的研究。1939年，哈恩、斯特拉斯曼在用中子轰击铀的实验中，实现了核的裂变。可见，费米选用中子来引起人工核反应的看法对推动核物理的发展和人类对原子能的利用起着重要的作用。又如，伽利略提出测量光速、焦耳提出测定热功当量等课题，都推动了物理学的发展。

正确的选题要求实验具有一定的目的性和计划性，同时还要有一定的灵活性，注意追踪有成功希望的线索。在物理学的某一领域一旦出现了新现象、新事物、新发现，有远见卓识的物理学家立刻会从各个可能的角度对其进行观察、实验，“跟踪追击”去取得重大突破。这种情况在科学史上是不乏其例的。例如，法拉第早期的科学活动主要是协助戴维进行化学实验研究。当1820年奥斯特发现了电流的磁效应后，受到很大启发的法拉第立即产生“磁能生电”的想法，并开始了长期的实验研究，终于在10年之后发现了电磁感应现象和电磁感应定律。

实验的构思与设计

在进行实验前，首先要进行认真的实验设计。实验设计的任务，是在实施实验之前，先在思维中把这个实验以观念的形态大致完成。哪些干扰因素应设法排除，哪些次要因素要暂时撇开，一切都应该在实验设计时予以考虑。

实验的构思与设计是整个实验的关键性步骤，主要应做好以下几方面工作。

（1）深入分析实验研究对象。

运用已有知识和科学思维方法，对实验对象进行分析，明确实验对象所隐藏着的待揭之谜，找准主攻方向，预计可能会出现的情况，形成初步设想；还要根据所要研究的问题、所要揭示的规律、所要验证的理论或假说、实验中将要呈现出的需要验证或探索的有关量，来明确实验的指导思想，考虑沿着什么方向、用什么样的方法手段实现实验的目的。

（2）精心构思实验原理。

实验是在一定科学理论指导下进行的。对于现代物理学来说，这点更为突出。这些科学理论一般有两个方面：一是实验所探索的原理或设想；二是实验主体仪器所应用的科学原理。这两方面原理是实验构思与设计的理论基础。例如，迈克尔逊和莫雷用光的干涉效应，测量沿着互相垂直的两个方向发出的光线的速度之差，来验证以太假说的实验，最后以零结果否定了以太说。

（3）巧妙设计实验技术。

实验技术包括实验仪器和技术手段。巧妙的实验技术不仅能把实验原理物化于其中，而且能在最有利的条件下获得准确的科学事实。例如，1970年有人就曾在布鲁海文实验室发现了J/ψ粒子有关的现象，但因仪器不够精确未能辨认。后来，丁肇中等人用了两年多的时间，研制出一架具有高分辨率的大型双臂能谱仪，从而在1974年发现了J/ψ粒子，被人称为是一次“精确度的胜利”。

实验结果的数据处理与理论解释

实验结果的数据处理包括技术处理和理论分析，它是运用数据揭示事物和现象之间本质联系的过程。对记录的实验结果加以整理分析，包括实验误差的分析、有效数字的运算和实验数据的处理。关于实验数据的处理方法，下面有一节将作专门讨论。

通过实验获得了大量实验事实、资料、数据后，必须以正确的理论思维为指导进行整理、分析和加工，这样，才能从中挖掘出它的深刻含义，进而导致新的科学定律的发现。

1851年，菲索为了更精确地了解以太与普通物质相互作用时的特点及性质，在流动的水中做了相对传播的两束光线的干涉实验。

实验得出的干涉条纹移动的结果表明，运动的物质部分地带动以太运动。同时，菲索还求出了牵引系数随物质的折射率而变化。

由此可见，菲索实验可以作为以太存在并且部分地被运动物质牵引运动的“可靠证据”。但是，当狭义相对论提出后，根据洛伦兹变换式，菲索实验又成为否定以太存在、证明物质在运动状态中的尺度会有收缩的强有力的证据了。

同一个实验结果，原先作为证明以太存在的证据，现在又成了否定以太存在的佐证，得出了截然相反的两种结论。可见，理论思维对实验结果的处理起着多么重要的作用。

毛泽东指出：“我们的实践证明：感觉到的东西，我们不能立刻理解它，只有理解了的东西才更深刻地感觉它。感觉只解决现象问题，理论才解决本质问题。”

正确解释实验结果往往是不容易的，有时会出现谬误。例如，1859年普吕克尔从实验中发现了一种未知的射线；1869年希托夫发现这种射线能被磁场偏转；1871年瓦尔莱又发现射线带有负电荷；1876年哥尔德斯坦把这种射线称为“阴极射线”，但磁场中的偏转以及荷质比的测量，把它合理地解释为电子射线流。

对实验结果的解释，出现谬误的主要原因：一是根据不完善的理论或不充分的证据；二是错误地根据因果关系；三是错误地运用推理；四是主观片面性。为了避免渗误的产生，要对实验结果进行认真整理，以形成客观的、不带主观偏见或有意凑合的评价和解释，得出对原来假说的验证结果，提出对假说肯定、否定和修改与发展的意见。如果在实验中发现了新的线索，应指出它的意义并考虑下一步追踪研究的问题。