初中物理实验的地位-初中物理实验教学指导

物理学是一门实验科学。在物理学中，每个概念的建立、每个定律的发现，都有其坚实的实验基础。实验在物理学的发展中有着巨大的意义和推动作用。

一、物理实验促进了古代物理学的知识积累

物理学的发展经历了从萌芽时期（古代物理学时期）到经典物理学时期再到现代物理学时期的发展阶段。在古代，亦即大约公元前七八世纪后，中国和希腊形成了东西方两个科技发展中心，科学已经以经验科学的形态从生产劳动中分化出来。但物理学还只是“自然哲学”的重要组成部分，人们主要是靠对自然现象和生产、生活很不充分的观察，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，物理学基本上还处在对现象的描述、经验的简单总结和思辨性的猜测阶段，实验的巨大作用还没有被充分认识到。尽管如此，在古代物理学发展的漫长历程中，不论是在中国还是在外国，有许多人曾做过许多实验或进行观测，对实验现象作过各种解释或总结，也提出过种种理论，还制造出了不少仪器，他们对古代物理的发展起了积极的推动作用。

在两河流域，古巴比伦人曾用“日晷”和水钟（水钟最早出现在古埃及）计时，还发明了梁式天平，古希腊人泰勒斯最早记录了摩擦过的琥珀会吸引轻小物体，天然的磁石具有吸铁的性质，阿里斯托芬曾有过用玻璃点火熔化石蜡的记录，欧几里德曾有过用凹面镜聚集太阳光试验的记述。

阿拉伯人阿勒·哈增曾做过圆柱面镜、球面镜、锥面镜的反射和折射实验，他还用一根带有五个秤盘的奇妙杠杆测定在空气中和在水中物体的重量，发现空气也有重量和阿基米德定律在空气中同样适用等等。

这里特别要提出的是古希腊阿基米德（公元前约287一前212）和托勒密（约90—168）的实验。阿基米德对杠杆进行了实验和研究，总结出杠杆定律，即二重物平衡时所处的距离与重量成反比。他还发明了阿基米德螺旋提水器，并用滑轮做了许多实验。杠杆定律的发现和应用在当时引起了轰动。阿基米德的另一个重要贡献是做了浮力实验，建立了浮力定律。他在《论浮体》一书中指出：“浸入液体的物体所失去的重量，就等于它排开的液体的重量。”这也是一个从实验总结出理论的定量实验。

关于浮力原理的发现，有这样一个故事：叙拉古国王艾希罗和阿基米德是亲戚，阿基米德在亚里山大里亚留学多年，回到叙拉古后，国王一见面就给他出了个难题。原来一年一度的盛大祭神节就要来临了。艾希罗国王交给金匠一块纯金，命令他制出一顶非常精巧、华丽的王冠。王冠制成后，国王拿在手里掂了掂，觉得有点轻。他叫来金匠问是否掺了假。金匠以脑袋担保，并当面拿秤来称，与原来金块的重量一两不差。可是，掺上别的东西也是可以凑足重量的。国王既不能肯定有假，又不相信金匠的誓言，于是把阿基米德找来，要他解此难题。

一连几天，阿基米德闭门谢客，反复琢磨，因为实心的金块与镂空的王冠外形不同，不砸碎王冠铸成金块，便无法求算其体积，也就无法验证是否掺了假。他绞尽脑汁也百思不得其解。

读者有所不知，这阿基米德还有一个怪毛病，就是家里桌上有了灰尘，从不许别人擦去，以便他在上面画图计算。炉灰掏出来不让马上倒掉，他要摊在地上画个半天。因为当时并没有现在这样方便的纸笔。更有怪者，他常痴痴呆呆地在自己身上涂画。当时人们用一种特殊的泥团当肥皂，一天他准备洗澡，可是刚脱了上衣，就抓起一团泥皂在肚子上、胸脯上涂画起来，画了个三角又画圆，边画边思考那顶恼人的王冠。这时他的妻子走进来，一看就知道他又在犯痴，二话没说，便把他推入浴室。他一面挣扎，一面喊道：“不要湿了我的图形！不要湿了我的图形！”但是哪由他分说。这厉害夫人逼阿基米德洗澡，也已经是平常事了。他还未喊完，已“扑通”一声跌入池中，夫人掩门而去。谁知这一跌倒使他的思路从那些图形的死胡同里解脱出来。他注视着池沿，原来池水很满，他身子往里一泡，那水就顺着池沿往外溢，地上的鞋子也淹在水里，他急忙探身去取。而他一起身水又立即缩回池里，这一下他连鞋也不取了，又再泡到水里，就这样一入一出，水一涨一落。再说夫人刚走出门外，正要去干别的事，忽听那水池里啪啦啪啦地响，水唰唰啦啦地在地上乱流。她停步返身，正要喊：“连洗澡也不会啊！”忽然阿基米德浑身一丝不挂，湿淋淋地冲出门来，把她碰了一个趔趄，她忙伸手，滑溜溜地没有抓住。阿基米德已冲到街上，高喊着“优勒加！优勒加！（意即发现了）”夫人这回可真着了急，嘴里嘟囔着：“老头疯了，真疯了”，便随后也追了出去。街上的人不知发生了什么事情，也都跟在后边追着看。阿基米德头也不回地向王宫一路跑去。原来，阿基米德由澡盆溢水联想到王冠也可以泡在水里，溢出的体积就是王冠的体积，而这体积与同等重量的金块的体积应该是相同的，否则王冠里肯定有假。就是说，同等质量的东西泡进水里而溢出的水不一样，它们肯定就是不同的物质。每一种物质和相同体积的水都有一个固定的质量比，这就是比重。直到现在，物理实验室里还有一种求比重的仪器，名字就叫“优勒加”，以纪念这一不寻常的发现（图1-1）。

图1-1　阿基米德发现浮力

阿基米德跑到王宫后立即找来一盆水，又找来同样重量的一块黄金、一块白银，分两次泡进盆里。白银溢出的水比黄金溢出的水几乎要多一倍。把王冠和金块分别泡进水盆里，王冠溢出的水比金块多，这时金匠不得不低头承认，王冠里是掺了白银。这件事使国王对阿基米德的学问佩服之极，他立即发出布告：“以后不论阿基米德说什么话，大家都要相信。”

这烦人的王冠之谜总算解决了，阿基米德那愁锁的眉头刚刚舒展一点，可心里又结上了一个疙瘩，真是“才下眉头又上心头”，他的大脑永不肯休息。原来，希腊是个沿海国家，自古航海事业发达。阿基米德自从在澡盆里一泡，发现物体排出的水等于其体积后，那眼睛就整天盯住海里各种往来的货船，有时在海滩上一立就是一天。那如痴如醉的样子常引得运货的商人和水手们在他的背后指三说四。这天他和好友柯伦到海边散步，还没有走多远就停在那里。柯伦知道他又想起了什么，正要发问，突然阿基米德倒先提出一个问题：“你看，这些船为什么会浮在海上？”

“这很简单，因为它们是木头做的。”

“你是说，只有比水轻的东西才可以浮在水上吗？”

“当然只能如此。”

“可是你看那些奴隶们从船上背下来的箱子，那些金银玉器，那些刀枪兵器，哪个不比水重，为什么它们装在船上不会沉入水里？”

柯伦一时答不上来。阿基米德又说：“我要是把一艘船拆成一块块的木板，把木板和那些货捆在一起，抛到海里，你说会不会沉到海底？”

柯伦惊得瞪大了眼睛。“老朋友，你真的要拆一艘三桅货轮做试验吗？”他知道阿基米德搞起实验来是什么都想得出来、干得出来的。

从这天起，海滩就再也看不见这一对好友的影子。原来他们呆在家里，围着陶盆，要寻找“浮力”。阿基米德把一块木头放在水里，从陶盆排出的水正好等于木头的重量，他记了下来；又往木头上放了几块石子，再排出的水又正好等于石子的重量，他又记了下来；他把石头放到水里，用秤在水里称石头，比在空气中轻了许多，这个轻重之差正好等于石头排出的水的重量。阿基米德将手边能浸入水的物体都这样一一做过实验，终于一拍脑门，然后拿起一根鹅毛管在一张小羊皮上郑重地写下这样一句话：“物体在液体中所受到的浮力，等于它所排开的同体积的液重。”

阿基米德通过实验发现了浮力的“秘密”，而托勒密则通过实验发现了光的折射。

克罗狄斯·托勒密（Claudius　Ptolemaeus）是“地心说”的集大成者，生于埃及，父母都是希腊人。公元127年，年轻的托勒密被送到亚历山大去求学。在那里，他阅读了不少的书籍，并且学会了天文测量和大地测量。他曾长期住在亚历山大城，直到151年。有关他的生平，史书上少有记载。

托勒密曾用如图1-2所示的装置对光的折射进行了实验研究。在一个圆盘的中心S处装两把可以旋转的尺子，将圆盘的一半竖直插入水中，转动两把尺子以便确定入射线和折射线的位置，从而测出入射角和折射角。用这样的方法托勒密测得了从空气射入水中的光线的一系列对应值（表1-1）：

图1-2　托勒密关于光的折射的实验装置

表1-1　托勒密测得的光从空气射入水中的入射角和折射角之间的对应值

这些数据足够精确。他断言，折射角与入射角成正比，但这个结论只在入射角很小的情况下才近似正确。遗憾的是，他并没有由此发现折射定律。直到1620年前后，荷兰数学家斯涅耳才通过实验确立了托勒密想发现却没有能够发现的折射定律。

在我国，从古文献、古器物中可以看到我们古代祖先的许多关于物理实验和应用的记载。

早在尧舜时代，我们的祖先就用“圭表”来观象授时，后又使用“日晷”，即利用日影位置的变化测量时间；至春秋时期已普遍使用“刻漏”，即利用水滴滴漏的方法来计时。我国在春秋时期度量衡制已日趋完备，到了秦朝，度量衡制得到了进一步发展和统一。

在力学实验方面，据《墨经》所载，墨家就研究过圆球的随遇平衡问题，已初步认识了简单几何体的重心问题。半坡村出土的欹器（尖底双耳瓶）也说明了古人早就注意到了重心的作用。《考工记》中“舆人为车”记载了水平仪的雏型。到了北魏，水平仪已被配置在较精密的仪器上，如用铁铸成的浑天仪底板上设有“十字水平”，以校准仪器水平。对于浮力的认识，《墨经》中已指出物体所受的浮力是因为水被物体排开的关系。前秦的《苻子》已记载了利用水浮法称重的实例。《宋史·方技传》记载了利用浮力起重的实例———打捞铁牛。

在声学实验方面，《墨子》中曾记载了运用固体传声和气腔共振的原理将两种稍有不同的坛埋入地以判断地下声源的方法。《庄子·杂篇》中记载了当时在乐器制作后做的很细致的共振实验。《异苑》中曾记载了张华（232—300）改变器物的固有频率以消除共鸣的方法。宋人沈括在《梦溪笔谈》中记载了他所设计的世界上最早的用纸人演示共振的实验：“欲知其应者，先调其弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。声律高下苟同，虽在他琴鼓之，应弦亦震，此之谓正声。”

在热学实验方面，《考工记》中记载了利用凹球面镜对日聚焦取火。西汉《淮南子》记载了一种利用两个重量相同而吸湿能力不同的物体来验湿的天平式验湿器，书中还记载了“艾火令鸡子飞”的关于“热气球”的实验设计。唐代盛行的“马骑人物、旋转如飞”的走马灯，宋代的“走线”、“流星”、“地老鼠”等“火箭”，都是利用热空气流直接推动的装置。

在电磁学实验方面，早在《管子》、《吕氏春秋》、《三国志》中有磁石能吸铁而不能吸钢等其他金属和非金属的记载。对静电力的研究，《春秋纬·考异断》说“玳瑁吸楉”，三国时代发现“琥珀不取腐芥”。晋人《博物志》中记载了摩擦起电。在对磁性的进一步实验研究方面，西汉《淮南万毕术》记载了“慈石提棋”、“慈石拒棋”的磁体相吸、相斥现象，并介绍了鸡血中拌入磁粉和铁粉后晾干以得到人造磁体的方法。汉代王充的《论衡·是应篇》记载了利用磁体指极性制造指南仪器“司南”。北宋初年《武经总要》记载了用“地磁感应法”制作人造磁体，以及将“司南”改为“指南鱼”的方法。沈括的《梦溪笔谈》记载了“以磁石磨针锋，则能指南”的“摩擦传磁法”，以及对“指南鱼”进行了实验改进，发现了指南针的四种支悬方法，如图1-3所示。

图1-3　指南针的四种支悬法

在光学实验方面，古人曾做过大量的较系统的研究。《墨经》中阐述了影的成因，本影、半影的生成，反射成影及影的大小的变化规律，记载了小孔成像，光的反射，平面镜、凸面镜、凹面镜反射成像以及像的大小、像的正倒与位置的实验。《墨经》的光学（和光学实验）比欧几里得光学还早一百多年。西汉《淮南万毕术》记载了“高悬大镜，则见四邻”的潜望镜雏形，以及以冰来制作凸透镜用以对太阳聚焦取火。沈括在《梦溪笔谈》中记载了研究针孔成像、凸面镜、凹镜成像规律的实验。

这里特别要指出的是，宋末元初的赵友钦在《革象新书》中记载了对光的小孔成像和照度进行的设计巧妙的大型实验研究，如图1-4所示。他以楼房为实验室，在楼下左右两房间地面上挖两个圆井，井深分别为。左井中放一个高的桌子，井底（或桌面上）放1　000多支蜡烛做光源。两井口分别用中心开孔的木板加盖。楼板下挂两块大木板为固定像屏。实验分为五个部分。

图1-4　小孔成像实验

（一）光源、小孔、像屏三者距离保持不变，孔径有大小之别，可见两个像大小一样，但浓淡（照度）不同。

（二）利用针孔成像来模拟日、月蚀，并表明针孔所成之像为倒立像。

（三）改变像距，研究像的大小与照度随像距变化的规律；实验得到照度随光源的强度增加而增加，随距离的增加而减小（在西方，400年后才由德国科学家兰伯特得出照度跟距离平方成反比的定律）。

（四）改变物距，实验表明物距变大，像变小、变狭，但变浓。

（五）改变孔的大小和形状，研究大孔成像与小孔成像的区别。

赵友钦的这一大型实验可以说在世界物理学史上是首创的。

综上所述，在古代物理学的发展中，中外物理学先驱者们的大量的实验工作，不管是从系统的观测和记录方面来看，还是从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、赵友钦的小孔成像和照度实验等都可称之为卓越的物理实验。

在这一时期，物理实验的特点是：①零星不系统；②定量实验较少，定性实验较多；③大多数实验仅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，这一时期的实验方法和实验的科学思想水平还是较低的，这就使得物理学还没有真正走上科学的道路。

二、物理实验促进了经典物理学体系的完成

经典物理学是在16、17世纪的文艺复兴时期和科学革命中诞生的。以伽利略为代表的一大批杰出科学家，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。伽利略对自由落体运动的研究，开创了近代科学研究的先河。下面我们简单地回顾一些在经典物理发展中有重要地位的著名实验。

在力学实验方面，伽利略（Galileo　Galilei，1564—1642）的斜面实验和落体实验，发现了运动定律和自由落体规律。

17世纪中叶在碰撞的实验研究中，瓦利斯（J．Wallis，1616—1703）、惠更斯（C．Huygens，1629—1695）和马略特（E．Mariotte，1602—1684）分别得出了动量守恒定律。

库仑（C．A．Coulomb，1736—1806）的扭秤实验和摩擦实验，得到了库仑力的平方反比定律和摩擦定律。

胡克（R．Hooke，1635—1703）的弹性实验，发现了弹性的基本定律。

傅科（J．B．L．Foucault，1819—1868）的傅科摆实验，验证了泊松（Poisson）的关于地球自转引起的偏转力的理论；继而用实验研究地球自转的力学问题，发明了回转仪。

卡文迪许（H．Cavendish，1731—1810）用扭秤装置测定地球密度，得到了地球密度和引力常数。引力常数是基本物理常数之一，它的数值对物理学和实际工作有重要意义。表1-2为历年来实验物理学家对引力常数的测定结果^[1]。

表1-2　引力常数的测定

厄缶（B．von．Eōtvōs，1848—1919）用扭秤方法研究惯性质量和引力质量的等价性，得到了非常精确的结果，为引力理论的确立奠定了重要的基础，被爱因斯坦（A．Einstein）称作“为扩充相对论辩护的著名的物理事实”^[2]。

在热学实验方面，最基本的是量热学实验。布莱克（J．Black，1728—1799）和他的学生通过对量热学实验研究发现了热容量，提出了比热的概念及热量守恒定律。量热学实验在热学发展中起了重要的作用，它使热学走上了严格定量的道路。

伦福德（Rumford，1753—1814）的摩擦生热实验和戴维（H．Davy，1778—1829）的冰摩擦生热的实验为热的运动说提供了有力的支持，是能量守恒与转化定律提出的前奏。

焦耳（J．P．Joule，1818—1889）从事热功当量实验研究30多年，为热和功的相当性提供了可靠的依据，为能量守恒与转化定律的确立奠定了牢固的实验基础。

分子速度分布律是分子运动论和统计力学的重要理论基础。1859年麦克斯韦（J．C．Maxwell，1831—1879）提出气体分子速度分布律后，1860年做了著名的气体粘滞性随压强改变的实验，对速度分布律做了间接验证。1911年杜诺依尔（L．Dunoyer）设计并制成了分子束装置。1920年后斯特恩（O．V．Stern，1888—1969）等人用分子束实验技术对分子速度分布律进行直接验证，然该定律直到1955年才被米勒（R．C．Miller）、库什（D．kusch，1911—1993）精确测定。

布朗运动是分子无规则热运动的有力证据，它对认识分子、分子的存在有重要意义。1827年布朗（Robert　Brown，1773—1858）发现了布朗运动，并对它进行了长期的实验研究。1906年爱因斯坦提出了布朗运动理论。佩兰（J．Perrin，1870—1942）对布朗运动理论进行了全面的实验验证，证明了液体中分布微粒的乳蚀液分布方程和布朗运动位移公式，为分子的存在提供了直接证据。

在电磁学实验方面，库仑定律的发现和检验是实验的一个重要的贡献。库仑定律是电磁学的基石，也是麦克斯韦方程的基石。如果库仑力与距离平方反比定律有偏差，那么麦克斯韦方程就要做重大修正，光子就应有静质量，不同频率电磁波就有不同速度，狭义相对论的光速不变原理就要被否定等。从1769年起，对电荷之间的作用力与距离平方反比的规律，罗比逊的转臂支架实验、卡文迪许的同心球实验、库仑的电扭秤实验和振荡电扭秤实验、麦克斯韦改进的同心球实验等都做了精确的确定。

奥斯特（H．C．Oersted，1777—1851）对电流磁效应的惊人发现，既证实了电与磁之间相互联系的客观存在，又发现了沿垂直方向起作用的一种旋转力。奥斯特实验开创了电磁学的繁荣时期。

法拉第（M．Faraday，1791—1867）对磁产生电进行了多年的实验研究，终于在1831年8月29日发现了电磁感应现象，他还对各种试验结果归纳总结，把产生感应电流的情况分为五类：①变化中的电流，②变化中的磁场，③运动中的稳恒电流，④运动中的磁铁，⑤运动中的导线。

麦克斯韦的电磁场理论把电、磁和光三个领域综合在一起，预言了电磁波的存在，预见了光也是一种电磁波，具有划时代的意义。赫兹（H．Hertz，1857—1894）通过实验发现了电磁波，并证实它的传播速度正是光速，有力地证实了麦克斯韦电磁场理论。(www.xing528.com)

在光学实验方面，牛顿（L．Newton，1642—1727）从笛卡尔的棱镜实验得到启发，又借鉴胡克和玻义耳的分光实验，成功进行了白光的色散和复合实验．这一实验具有重要的意义，它不仅对认识光的本性和建立颜色理论奠定了基础，而且为光谱学的发展开辟了道路。

托马斯·杨（Thomas　Young，1773—1829）的双缝干涉实验，为光的波动学说提供了确凿的证据。

迈克尔孙（Michelson，1852—1931）和莫雷（E．W．Morley，1838—1923）利用巨大的迈克尔孙干涉仪，为证明以太的存在而进行了一次又一次地测量以太漂移速度的实验，最终测得以太的漂移速度为零。这是一个具有重大历史意义的实验，它对19世纪占统治地位的以太理论以沉重的打击，激励了当时一些著名的物理学家对运动物体的电动力学理论的研究，从而为爱因斯坦创立狭义相对论铺平了道路。

19世纪初，沃拉斯顿（W．H．Wollaston，1766—1828）观察到太阳光谱的不连续性。夫琅和费（J．V．Fraunhofer，1787—1826）用望远镜观测太阳光谱，对太阳光谱中的黑线进行了研究。惠斯通（Charles　Wheatstone，1802—1875）用不同的金属电极的电火光做光源，发现了不同金属有不同的谱线，可以作为各自的特征。1859年基尔霍夫（G．R．Kirchhoff，1824—1887）对光的吸收和发射之间的关系做了更进一步的研究，发现在同一温度下，所有物体对同一波长的光线，其发射本领和吸收本领之比是一常数，这一定量的基本定律叫基尔霍夫定律。这一定律不仅奠定了热辐射的理论基础，也是光谱学的重要规律。基尔霍夫和本生（R．W．Bunsen，1811—1899）采用的光谱分析实验方法，对自然科学各个分支都有重要意义。

1882年罗兰（Rolland）成功地刻制了凹面光栅，并用它拍摄了精细的太阳光谱图。凹面光栅大大地推动了光谱学的发展，1896年塞曼（Pieter　Zeeman，1865—1943）效应的发现和1931年氘的发现所用的光谱仪器都是罗兰的凹面光栅。物理学由于光谱实验提供了极其丰富的原子信息而引起了深刻的变化。

综上所述，物理实验对于经典物理学的发展起到了很大的推动和促进作用，它在经典物理学中的地位是极其重要的。

我们现在以伽利略对自由落体问题的研究为例，探讨以伽利略为杰出代表的经典物理实验研究方法和科学思想的特点。

伽利略在比萨大学任教时就开始对自由落体进行研究，直到1638年才在《关于力学和局部运动两门新科学的谈话和数学证明》中系统地论述了这一研究成果。

根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。伽利略从一个理想实验入手，假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而减慢，结果整个系统的下落速度应该小于8；但两块石头捆在一起，总的重力比大石头还要重，因此整个系统下落的速度要比8还大。这样，就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论，这使得亚里士多德的理论陷入了困境。为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能性：重物与轻物应该下落得同样快（传说伽利略在比萨斜塔（图1-5）上做过落体实验，但后来又被严谨的考证否定了。尽管如此，来自世界各地的人们都要前往参观，他们把这座古塔看作伽利略的纪念碑）。

图1-5　比萨斜塔

自由落体运动遵循什么样的运动规律？是否是匀加速运动呢？伽利略认为应该用实验做出检验。

伽利略相信，自然界的规律是简洁明了的。他从这个信念出发，猜想落体一定是一种最简单的变速运动，它的速度应该是均匀变化的。

要直接验证是恒量在当时是困难的。于是伽利略运用数学，根据他的假设推出了匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比，即这一便于直接测定的关系式。

为了“冲淡重力”，减缓下落运动，伽利略进行了著名的斜面实验。

伽利略做了上百次实验，结果表明，小球沿斜面滚下的运动的确是匀加速直线运动，换用不同质量的小球，从不同的高度开始滚动，只要斜面的倾角一定，小球的加速度都是相同的。不断增大斜面的倾角，重复上述实验，得到小球的加速度随斜面倾角的增大而变大。当斜面倾角很大时，小球的运动不是跟落体运动差不多了吗？如果斜面的倾角增大到90°，这时小球的运动不就是自由落体运动了吗（图1-6）？伽利略认为，这时小球仍然会保持匀加速运动的性质，而且所有物体下落时的加速度都是一样的！

图1-6　伽利略设想，斜面的倾角越接近90°，小球沿斜面的运动越接近自由落体运动

该实验发现：一个从静止开始下落的物体在相等的时间间隔经过的各段距离之比等于从1开始的一系列奇数之比，即为1∶3∶5∶7…从而证实了落体所经过的各种距离总是同所用时间的平方成正比例。

为了把斜面实验的结论推广到竖直情况下的自由落体运动，伽利略提出了等末速度假设，即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同斜面的同一高度下落，到达末端时具有相同的速度，也就是说，物体在下落中所得到的速度只由下落的高度决定，而与斜面的倾斜程度无关。对此，伽利略用一个单摆实验（图1-7）验证了这个假设。根据这个假设，可得到沿斜面下滑的加速度g1与自由下落的加速度g之间的关系（图1-8）：

图1-7　摆的升高实验

图1-8　沿斜面与竖直方向下落加速度的关系

由这个关系，不难从g1求出g。伽利略根据这个关系明确得出了自由落体做匀加速运动的结论。

伽利略的逻辑和实验自然使人钦佩，但是人们又疑惑地问道：为什么日常生活中常会见到，较重的物体下落得比较快呢？伽利略把原因归之于空气阻力对不同物体的影响不同。他写道：“如果完全排除空气的阻力，那么，所有物体将下落得同样快。”这时，落体运动也就真正成为自由落体运动了。为此，伽利略特别指出，在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要。

伽利略对运动的研究，不仅确立了许多用于描述运动的基本概念，而且创造了一套对近代科学的发展极为有益的科学方法。这些方法的核心是把实验和逻辑推理（包括数学演算）和谐地结合起来，从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法。

从上面伽利略发现自由落体定律的经过，我们可以看到伽利略实验研究方法和实验科学思想的特点。

（一）把实验与数学结合起来，既注意逻辑推理，又依靠实验检验，构成了一套完整的科学研究方法。其程序大致如下：

伽利略的实验检验包括物理的（实际的）或思想的实验检验，形成的理论包括对假设进行的修正和推广。

（二）有意识地在实验中抛开一些次要因素，创造理想化的物理条件。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，使之易于测量。例如，物体下落时不考虑空气阻力，“冲淡重力”进行斜面实验，把物体自由下落的时间“放大”，以便在当时能够测量。

（三）用实验去验证理论。伽利略认为科学实验是为证明理论概念（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）又必须服从实验判决。

（四）把实验与理论联系起来。例如，把各物理量之间的关系用数学表达式联系起来，使实验结果上升到普遍的理论高度。再如，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。”^[3]

伽利略把科学的实验方法发展到了一个全新的高度，从此开始了物理学的一个新的时代，使物理学走上了真正科学的道路。爱因斯坦和英费尔德（L．Infeld）在《物理学的进化》中评论说：“伽利略的发现以及他所用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”^[4]

三、物理实验奠基现代物理学，成为当代物理学发展的推手

19世纪末，正当物理学家庆贺经典物理学大厦落成之际，以电子的发现、X射线的发现、放射性现象的发现为代表的物理学的新发现与经典物理的理论产生了尖锐的矛盾，从而引起了物理学的革命，宣告了现代物理学的诞生。下面我们简单回顾一些在现代物理发展中具有重要地位的著名实验。

1879年，霍尔（A．H．Hall，1855—1938）在研究载流导体在磁场中受力的性质时，发现了电流通过金属在磁场作用下产生横向电动势的霍尔效应。霍尔效应的应用十分广泛，如可以确定半导体材料的基本参数。用实验方法研究物质的导电现象———测量霍尔系数和电导率，曾推动了半导体理论的发展。1980年发现了量子化霍尔效应，利用这种效应可以极精确地测定精细结构常数（精确到10-6），并提供了一种电阻的精确的绝对单位（精确到10-8）。2013年3月16日，被视作“有可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的量子反常霍尔效应被中国科学家首次在实验上独立观测到。量子霍尔效应的重要性在于它可能在未来电子器件中发挥特殊的作用，用于制备低能耗的高速电子器件，从而推动信息技术的进步。这项发现的深远意义现在还难以估计。

原子光谱的研究在原子物理学的发展中起了重要作用。特别是氢原子光谱，人们对它的研究已有100多年，在实验方面进行了精细结构的探测，数据越来越精确，它推动了电子和电磁场相互作用理论———量子电动力学的发展。

塞曼（P．Zeeman，1853—1928）于1896年发现的塞曼效应进一步拓展了光的辐射机理，被誉为继X射线之后物理学最重要的发现之一。反常塞曼效应的研究推动了量子理论的发展。

1897年J．J．汤姆逊（J．J．Thomson，1856—1940）测定了阴极射线的荷质比，发现阴极射线是由比氢原子小得多的带电粒子所组成。他以大量的实验事实证明阴极射线、β射线和光电流都是电子组成的，电子是原子的组成部分。

在热辐射的研究中，普朗克（M．Planck，1858—1947）在综合维恩（Wien， 1864—1928）、帕邢（P．Paschen，1865—1947）和鲁本斯（H．Rubens，1865—1922）的理论和实验研究成果的基础上，推出了黑体辐射的普朗克公式。经鲁本斯用实验验证后，普朗克致力于这个公式理论基础的探索，终于在1900年底用一个谐振子能量不连续的假设推出了黑体辐射公式，从而促进了量子理论的产生。

1901年，考夫曼（W．Kaufmann，1871—1947）用镭放出的β射线做实验，发现了电子质量随速度增加的事实，比爱因斯坦的狭义相对论还早4年。1908年，布雷勒（Bucherer，1863—1927）改进了考夫曼的实验，使实验精度更高，实验结果证实了洛仑兹—爱因斯坦公式。

理查森（O．W．Richardson，1879—1959）前后进行了12年（1901—1912年）实验研究，发现了热电子发射所遵从的规律，即著名的理查森定律，为无线电电子学的发展起到了重要的作用。

1905年爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，提出了光量子理论，导出了著名的光电效应方程。这个方程在1916年被密立根（R．A．Millikan，1868—1953）的精确实验完全证实。

光电效应实验以及光量子理论的解释在物理学发展中具有重大的意义。首先，它证明了普朗克提出的量子现象并非辐射所特有；其次，它揭示了光的波粒二象性；再次，利用光电效应制成的光电管等光电器材，在科技发展中广泛应用，其发展前景十分广阔。

固体比热的研究是继黑体辐射和光电效应之后的又一重要课题。1907年，爱因斯坦把量子论用于固体比热。1910年，能斯特（W．Nernst，1864—1941）通过对低温下固体比热的测量，验证了爱因斯坦的量子理论，引起了不少物理学家的注意，使量子理论的发展进入了一个新的阶段。

1909年，密立根独创了著名的油滴实验，测得了基本电荷e，1917年测得的e的精确值为（4．770±0．005）×10-10。

1909年，卢瑟福（E．Rutherford，1871—1937）在做α粒子散射实验时，发现大约有八千分之一的α粒子发生超过90°的大角度散射。卢瑟福后来提起这件事时曾说：“这是我一生中最不可思议的事件。这就像您对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反弹回来的炮弹击中一样地不可思议。”^[5]

这促使卢瑟福去思考他的老师J．J．汤姆逊原子模型的正确与否这一问题。本来，汤姆逊为β散射建立的一个多次碰撞的理论，可以解释大角度散射。但用到α粒子上，由于α粒子比电子质量大太多，故两者多次碰撞几率趋于零，而实验结果却是八千分之一，这是一个极大的矛盾。一边是恩师的理论，一边是千真万确的实验结果，卢瑟福陷入了极其矛盾的境地，经过长时间思考，1910年底，卢瑟福终于作出决断，放弃汤姆逊模型，承认原子有核，建立原子核式结构模型，为原子物理和核物理的发展奠定了最主要的基础。

卢瑟福的α散射实验是探测原子结构的重要手段，在20世纪30年代前发挥过巨大的作用。卢瑟福开创的用高能粒子作为探测武器打入原子内部以获取信息的实验方法，现在仍广泛应用于原子核物理和高能物理研究领域。

1912年，劳厄（Max　von　Laue，1879—1960）发现了X射线晶体衍射的现象。这是现代物理学发展中的一个重要里程碑。它不仅证实了X射线的电磁本性，还证明了晶体空间点阵理论的正确性，同时对晶体材料的研究、控制和工艺过程改进具有非常重要的应用价值。自从X射线及其晶体衍射被发现以后，人类对物质结构的认识发生了质的飞跃，它使众多科学领域得到了新的重大的发展。

J．弗兰克（J．Franck，1882—1964）和赫兹在1914年进行了著名的夫兰克—赫兹实验（用慢电子与稀薄气体的原子碰撞的方法，测量原子的激发电位和电离电位），简单而巧妙地直接证实了原子能级的存在，清晰地揭示了原子能级图像，有力地证明了N．玻尔（N．Bohr，1885—1962）的原子理论。

1922年，斯特恩（Stern，1888—1969）和盖拉赫（W．Gerlach，1889—1979）使银原子束穿过非均匀磁场，观测到了分立的磁矩，从而证实了空间量子化理论。这一实验在量子理论的发展中起了重大作用。

1923年，康普顿（A．H．Compton，1892—1962）对X射线进行了实验研究，并用光子和电子相互碰撞解释X射线散射中波长变长的实验结果。康普顿效应为德布罗意（L．V．de　Broglie，1892—1987）的物质波假设提供了更完全的证据，证实了光量子动量的实在性。

1927年，戴维森（C．J．Davisson，1881—1958）与革末（L．H．Germer，1896—1971）用低速电子进行电子散射实验，证实了电子衍射。同年，G．P．汤姆逊（G．P．Thomson，1892—1975）用高速电子获得电子衍射图样。他们的工作不仅验证了德布罗意物质波假设，为量子理论提供了重要的实验基础，而且发展成一门独立的物理实验技术。

1945年，珀塞尔（E．M．Parcell，1912—1997）用共振吸收法测核磁矩，布洛赫（Felix　Bloch，1905—1983）用核感应法测核磁矩。两人从不同的角度发现了核磁共振。核磁共振方法使核磁矩和磁场的测量精度大大提高。目前核磁共振已广泛地应用于许多科技领域。

1958年，穆斯堡尔（R．L．Mossbauer，1929—　）实现了γ射线的无反冲共振吸收，即穆斯堡尔效应。至今已发现了几十种核素存在着穆斯堡尔效应，它已被广泛地应用于核物理、固体物理、相对论等众多科技领域，对这些学科的发展有着相当重要的作用。

1962年，约瑟夫森（B．D．Josephson，1940—　）从理论上对超导电子对的隧道效应做了预言，不久就被实验证实。这一效应不仅对超导电性的本质有了进一步的认识，而且基于这一效应制成了各种实用的超导器件，由此形成了一门新的学科———超导电子学。

由上述事实可见，现代物理是从实验发现开始，并在实验中发展起来的。现代物理实验乃至当前物理实验方法和发展有如下一些特点和趋势：

（一）实验与物理理论越来越紧密地结合，成为不可分割和相互依赖的结合体。物理实验更加需要理论（包括实验理论）的指导，在理论的预测和条件范围内进行，而不是盲目地瞎碰。

（二）实验需要更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前探索物理世界的需要。物理学要向新的更加深入的领域进军，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条件下的现象，或使实验具有更高的精确度，这就需要更先进的技术和仪器设备。

（三）物理实验方法与其他学科的结合和向其他学科渗透使得新的实验方法和技术更快地在应用领域得到推广使用。

（四）当代前沿的物理实验越来越成为大规模的、集体的、综合的工程。它的设计、建设和运转、使用都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有国际的合作。2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布，他们发现了一种新的亚原子粒子，这个粒子是希格斯玻色子（即“上帝粒子”）的可能性高达99．999　94%。这个工作由大型强子对撞机（LHC）完成，为这个项目工作的300多名科学家来自几十个国家。

（五）建立和利用空间实验室，充分利用太空高真空、无污染、失重等许多天然有利条件。