試論研究性的物理實驗與教學(xué)中的物理實驗之異同

朱 琴

(北京市昌平區(qū)第二中學(xué) 北京 102208)

趙詩華

[中國礦業(yè)大學(xué)(北京)理學(xué)院 北京 100083]

1 問題的提出

物理學(xué)和中學(xué)物理教學(xué)都重視實驗.

丁肇中說，“實驗可以推翻理論，而理論永遠無法推翻實驗.”

閆金鐸先生提出：在物理教學(xué)的過程中，應(yīng)當按照觀察，實驗，思維和應(yīng)用的順序展開.

兩者談到“實驗”的含義完全相同嗎？

顯然前者談到的“實驗”是指物理學(xué)研究中的，后者是指中學(xué)物理教學(xué)中的，在這兩個領(lǐng)域中“實驗”的含義不完全一樣.

下面我們通過對比“實驗”在這兩個領(lǐng)域中的作用來詮釋它的含義，以期對中學(xué)物理教師有所啟發(fā)和幫助.

2 物理學(xué)建立過程中研究性的“物理實驗”

首先我們要知道物理學(xué)是如何發(fā)展起來的，物理學(xué)理論與實驗兩者之間的關(guān)系，物理學(xué)家做實驗到底是用來干什么的？

《普通高中物理課程標準》(2017年版)中對物理學(xué)的表述：物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運動規(guī)律.物理學(xué)基于觀察與實驗，建構(gòu)理想模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的理論體系和研究方法.

因此，可以認為物理學(xué)包括兩部分，一是通過科學(xué)思維用數(shù)學(xué)語言建立起來的具有邏輯關(guān)系的理論體系，二是理論體系必須接受實驗檢驗.理論通過演繹推理得到更多的推論進行預(yù)言，通過實驗“確證”預(yù)言，也就間接“確證”了新理論，同時舊理論就被“證偽”，需要根據(jù)新的實驗現(xiàn)象修正原來的理論或者創(chuàng)立新的理論，原來的理論會被擯棄或者成為新理論的一個極限情況存在，如圖1所示.

圖1 物理學(xué)理論與實驗的關(guān)系

密立根說：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗.有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面.只有使用兩條腿，才能前進.”

物理學(xué)理論是在一定范圍內(nèi)被證實，并不是一成不變的，隨著人們對客觀世界的深入認識而不斷地得到發(fā)展和完善，使得物理學(xué)理論的表述更精準、更清晰時，也更能被否證，也越來越科學(xué)、越來越接近真理，當然真理是相對的.

可見，物理學(xué)中的“實驗”主要是用來支撐和檢驗物理學(xué)理論體系，是物理學(xué)研究的需要，這些“實驗”很關(guān)鍵且在數(shù)量上力求少，我們稱它為研究性的“物理實驗”，舉例說明如表1所示.

表1 研究性的“物理實驗”(用來支撐和檢驗物理學(xué)理論體系)

3 中學(xué)物理教學(xué)中的“物理實驗”

中學(xué)物理教學(xué)中的“實驗”除了包含物理學(xué)研究性的實驗和物性實驗(如探究胡克定律)外，還有大量的在物理學(xué)上都不存在的自制實驗，這些實驗是用來有效補充學(xué)生直觀經(jīng)驗、培養(yǎng)實驗?zāi)芰陀?xùn)練實驗技能的，是教師發(fā)揮自己的聰明才智創(chuàng)造出來的，不限數(shù)量，其目的是促進學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的形成和終身學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，不是物理學(xué)研究的需要，與物理學(xué)研究性的“實驗”作用不一樣，我們稱它為中學(xué)物理教學(xué)中的“實驗”.

因此中學(xué)物理教學(xué)中的“實驗”包含物理學(xué)研究性的實驗，如圖2所示，但在作用上卻有很大的不同，現(xiàn)舉例說明如表2所示.

圖2 物理學(xué)研究性的“實驗”與中學(xué)物理教學(xué)中的“實驗”在內(nèi)容上的關(guān)系

表2 對比同一“實驗”在中學(xué)物理教學(xué)中與物理學(xué)研究中的作用

4 對比物理學(xué)研究性的“物理實驗”和中學(xué)物理教學(xué)中的“物理實驗”

下面通過實例對比研究性的“物理實驗”和中學(xué)物理教學(xué)中“物理實驗”.為了很好地說明問題，我們以牛頓第二定律為例.

實例：牛頓第二定律

(1)物理學(xué)中的牛頓第二定律

牛頓第二定律是理論假說，不是實驗歸納得出的定律，其推論需要實驗檢驗和支撐.

牛頓第二定律與其推論之間滿足理論自洽，它們環(huán)環(huán)相扣，一旦推論被確證，牛頓第二定律就被間接證實.

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書的構(gòu)思，主要是為了解決天體問題.牛頓從牛頓三大運動定律出發(fā)，結(jié)合萬有引力定律和微積分成功解釋了開普勒行星運動定律，萬有引力定律是否正確，測萬有引力常量實驗就成了支撐整個牛頓力學(xué)體系的關(guān)鍵性實驗.實驗工作者對該定律提出一系列的問題，例如：G的精確值是多大？它是一個常量還是會隨時間和地點而變化？引力是嚴格地與距離的平方成反比嗎？它與兩物體的組成相關(guān)嗎？引力與物體的運動狀態(tài)有關(guān)嗎？對萬有引力常量G的精確測量不僅具有計量學(xué)上的意義，更關(guān)鍵是對于檢驗牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律具有重要意義，是牛頓力學(xué)體系建立的基石.

由于引力相互作用極其微弱且不可屏蔽，因此萬有引力常量G是最難測定的常量之一.G是歷史上最早被認識和測量的物理常量，但G的測量精度仍然是物理學(xué)基本常量中最差的.300多年來，不少科學(xué)家在努力測量G值并讓它更精確.2018年8月，《自然》雜志發(fā)表了中國科學(xué)家測量萬有引力常量的研究，測出了截至目前最精確的G值.

(2)中學(xué)物理教學(xué)中的牛頓第二定律

高中物理教材人教版(2019年版)必修第1冊中安排了一個“探究牛頓第二定律”的實驗，目的是為了學(xué)生更好地理解和掌握牛頓第二定律而設(shè)計的.同時這個實驗對培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗?zāi)芰筒僮骷寄軄碚f是很好的載體.本實驗的原理、方案設(shè)計、裝置選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)表格設(shè)計、數(shù)據(jù)記錄、利用化曲為直的圖像法處理數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)論等一系列科學(xué)探究環(huán)節(jié)能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰筒僮骷寄?，是教師通過講授等其他途徑?jīng)]法實現(xiàn)的.實驗技能的熟練有利于知識的掌握，也是聯(lián)系物理知識與物理實驗?zāi)芰Φ臉蛄?

中學(xué)物理教學(xué)中過分強調(diào)實驗的作用也會帶來一些負面的影響：首先，這會帶給學(xué)生一種誤解，認為牛頓第二定律是通過大量實驗歸納得出的，實際上在物理學(xué)的發(fā)展史上不存在“探究牛頓第二定律”這個實驗.其次，由于引進了“探究牛頓第二定律”這個實驗，也就忽視了牛頓力學(xué)理論體系的建構(gòu)過程，學(xué)生體會不到牛頓三大運動定律在牛頓力學(xué)中的基礎(chǔ)性地位，不能正確理解實驗與物理學(xué)理論體系之間的關(guān)系，不利于學(xué)生物理觀念的形成.當然，對于學(xué)生來說，要理解到這一點是有困難的，但作為教師，這關(guān)乎到學(xué)科素養(yǎng)問題，不能含糊.

綜上所述，研究性的“物理實驗”是物理學(xué)理論的試金石，物理學(xué)理論體系只需要幾個關(guān)鍵性的研究性實驗來支撐和檢驗.中學(xué)物理教學(xué)“實驗”既包含研究性“物理實驗”還包含大量的教師創(chuàng)造性“物理實驗”，主要作用是輔助物理教學(xué).

我們只有明確“物理實驗”的真正含義才能更好地發(fā)揮“物理實驗”在中學(xué)物理教學(xué)中的重要作用，促進學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的形成.