浅谈实验在物理教学中的作用

摘 要：通过物理史实——电磁学产生和发展的分析，认识知识的构建过程中实验的作用，充分发挥实验在教学中应有的作用。

关键词：电流的磁效应；电磁感应；磁场；电场；科学实验

物理学是自然科学的一部分，人类的物理知识来源于实践，经过几千年特别是近两三百年的积累，人类的物理知识已经很丰富了，物理知识的应用已经很广泛了。物理知识已成为人们认识自然和改造自然的重要武器，在产生物理知识的同时也产生了方法，19世纪电磁学的发展充分说明了这一点。

一、电磁学的发展史

电学史上最重要的事件是电和磁之间可以相互转化这一事实的发现。19世纪的电学是从研究电流的运动规律开始的。19世纪以前，人们普遍接受吉尔伯特的观点，认为电和磁是两种本质上不同的现象。1800年，伏打发明了电池之后，化学家们立即发现了电流可使某些化学物质分解，这表明电和化学运动相互转化。当时人们已经发现了雷电能使刀叉、钢针磁化，莱顿瓶放电以使缝衣针磁化的现象。人们开始思考不同现象之间的联系。哲学家康德等人，提出了各种自然现象之间相互联系和相互转化的思想。

丹麦物理学家、化学家汉斯·奥斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851年），相信电与磁之间可能存在着某种联系。然而，奥斯特寻找电与磁相互联系的实验研究并未很快成功。1820年，在一次偶然的机会中，奥斯特发现当磁针旁的导线通以电流时，原来平行于导线放置的磁针偏转了，由于奥斯特一直惦记着电与磁的联系，这个现象使他振奋，他发现了电生磁原现象。随后的大量实验证明，电流的确能使磁针偏转，这就是电流的磁效应。这一发现立即引起科学家们的注意。

英物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，公元1791～公元1867），在奥斯特发现电转化为磁之后不久，就考虑磁能否转化为电以及电流能否产生电流的问题。从1820年起，类似的实验法拉第做了十多年，终于在1831年获得成功。那是他在受到美国物理学家亨利的关于电磁铁的实验启发之后，用下面的实验实现了他的预想。他在一块环形软铁上分别绕上两个线圈，一个接通电源，一个接上电流计。他发现当第一个线圈接通电池时，电流计上的指针出现很大的摆动，但立刻又返回零点；如果将第一个线圈与电源断开，也在刚切断电源的那一刻，电流计的指针摆动起来，接着又回到零点。在反复实验的基础上，法拉第总结出了电磁感应定律，这一定律表明，在导体回路中产生的感生电动势的大小与回路中磁通量的变化率成正比。

为了解释电和磁的作用，法拉第引进了场和力的概念。他认为空间不绝对虚空而是布满力线的场。场是带电体或磁体周围的以太介质的一种性质或状态。电荷间的作用是通过电力线实现的，磁体对磁性物质的作用是通过磁力线实现的。法拉第对电和磁相互作用的这些解释描绘了一幅与古代原子论者和牛顿的自然观截然不同的自然图景。他把场看做是带电体或磁体周围的一种物理存在，这是物理学基本概念的重大发展。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是英国伟大的物理学家，他把场和粒子看做是同样具有实在性的客体，是物质的两种基本形式。他十分敬佩法拉第的成就与思想，但是他认为法拉第的工作缺乏严格的数学形式，立志要用数学的语言加以总结和提高。从1858年开始，他系统地考察了自库仑、奥斯特以来的电学成就，认为应该把电流的规律与电场和磁场的规律统一起来。为此，他引进了位移电流和涡旋场的概念。这种电场是涡旋场，它不断改变其强度，因此它以可以产生变化的磁场。这样一来，就有一连串变化的电场和磁场不断产生，一环连一环，交替出现并且向四面八方传播开来。这种物质的运动形式就是电磁波。麦克斯韦预言光波就是电磁波。场这一概念经过麦克斯韦的提高到19世纪末已普遍为物理学家所接受。

赫兹是德国的一位青年物理学家。在进行了物理事实的比较后，他确认，麦克斯韦的理论比传统的“超距理论”更令人信服。于是他决定用实验来证实这一点。1886年，赫兹经过反复实验，发明了一种电波环，用这种电波环作了一系列的实验，终于在1888年用实验证明了电磁波的存在及其具有反射、折射、干涉等性质，证明了麦克斯韦的预言。麦克斯韦的理论揭示了电、磁和光的统一性，实现了人类对自然界认识的又一次综合，它是物理学发展的又一里程碑，标志着经典物理学的成熟。

二、实验方法

物理学发展的过程是以科学实验作为它的基础和出发点，作为它的真理性的标准的。没有科学实验，便没有真正的自然科学。所以，实验在物理学发展的过程中占有特殊重要的地位，因而物理学产生和发展规律是以“实验—理论—实验—理论”，不断循环往复的规律进行的。

实验是人们根据一定的研究目的，利用科学仪器、设备，人为地控制或模拟自然现象，使自然过程或生产过程以纯粹的典型的形式表现出来，以便在有利条件下进行观察、研究的一种方法。在自然状态下，许多现象错综复杂地交织在一起，因而不容易发现现象之间的关系。人们在实验中借助于科学仪器、装备所创造的条件，排除自然过程中各种偶然的、次要的因素的干扰，使那些需要认识的属性或联系以比较纯粹的形态呈现出来时，就能比较容易和精确地发现支配现象和规律了。

三、实验的作用

实验从本质上说，是把感性认识和理性思维的特点在自身中结合起来，这是实验的主要优点——直接现实性。（1）实验是证明科学知识的手段，可以借助于实验来证明或反驳原先已被判明的理论原理；（2）实验是发展科学知识的手段，即把实验作为获得新理论、新假说的直接来源。当然，在实验中，这两个方面常常是不可分割地联系在一起的：人们在证明某种知识的同时，也就在一定程度上发展了这种知识；而在发展某种知识的同时，也就证明了这种知识。

科学实验是科学认识的基础，没有科学实验就没有近、现代意义上的科学。但是，完全的科学认识不仅是实验，还需要抽象思维，还必须发展到理论认识水平。就是进行实验，也有个与理论思维的关系问题。科学实验是离不开理论思维的。实验必定要在某种思想或理论指导下进行。概而言之，贬低实验，科学认识将由于没有营养而枯萎，理论之树也没有根；忽视理论思维，实验就会因盲目而丧失力量。事实证明，科学实验的各个步骤，从实验目的的确定，到实验的构思和设计，再到实验结果的检验与评价，处处离不开理论思维。

科学实验与理论思维的联系是辩证的：一方面，实验必定受到某些科学知识体系的支配，另一方面它又产生更完善、更深刻的新的理论构成。在科学实验过程中，经验和抽象思维互相影响和渗透，抽象思维形式首先在科学实验的物化形式中体现出来，而为了得到符合客观对象的更全面、更高级的抽象，人们又要重新撇开一切感性的东西。总之，科学实验把感性认识和理论思维的特点结合在自身中，它既是业已获得的知识的真理性的标准，又是产生新的理论和原理的基础。

教学过程是学习前人知识的过程，也是学习他们方法的过程。因此，在教学过程中，既要重视知识的教学，也要重视实验的教学，这样才能更加全面地掌握科学知识，为今后的创新打好基础。

（作者单位 浙江省永康市古山中学）