淺談實驗在物理教學中的作用

摘 要：通過物理史實——電磁學產生和發展的分析，認識知識的構建過程中實驗的作用，充分發揮實驗在教學中應有的作用。

關鍵詞：電流的磁效應；電磁感應；磁場；電場；科學實驗

物理學是自然科學的一部分，人類的物理知識來源于實踐，經過幾千年特別是近兩三百年的積累，人類的物理知識已經很豐富了，物理知識的應用已經很廣泛了。物理知識已成為人們認識自然和改造自然的重要武器，在產生物理知識的同時也產生了方法，19世紀電磁學的發展充分說明了這一點。

一、電磁學的發展史

電學史上最重要的事件是電和磁之間可以相互轉化這一事實的發現。19世紀的電學是從研究電流的運動規律開始的。19世紀以前，人們普遍接受吉爾伯特的觀點，認為電和磁是兩種本質上不同的現象。1800年，伏打發明了電池之后，化學家們立即發現了電流可使某些化學物質分解，這表明電和化學運動相互轉化。當時人們已經發現了雷電能使刀叉、鋼針磁化，萊頓瓶放電以使縫衣針磁化的現象。人們開始思考不同現象之間的聯系。哲學家康德等人，提出了各種自然現象之間相互聯系和相互轉化的思想。

丹麥物理學家、化學家漢斯·奧斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851年），相信電與磁之間可能存在著某種聯系。然而，奧斯特尋找電與磁相互聯系的實驗研究并未很快成功。1820年，在一次偶然的機會中，奧斯特發現當磁針旁的導線通以電流時，原來平行于導線放置的磁針偏轉了，由于奧斯特一直惦記著電與磁的聯系，這個現象使他振奮，他發現了電生磁原現象。隨后的大量實驗證明，電流的確能使磁針偏轉，這就是電流的磁效應。這一發現立即引起科學家們的注意。

英物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday，公元1791～公元1867），在奧斯特發現電轉化為磁之后不久，就考慮磁能否轉化為電以及電流能否產生電流的問題。從1820年起，類似的實驗法拉第做了十多年，終于在1831年獲得成功。那是他在受到美國物理學家亨利的關于電磁鐵的實驗啟發之后，用下面的實驗實現了他的預想。他在一塊環形軟鐵上分別繞上兩個線圈，一個接通電源，一個接上電流計。他發現當第一個線圈接通電池時，電流計上的指針出現很大的擺動，但立刻又返回零點；如果將第一個線圈與電源斷開，也在剛切斷電源的那一刻，電流計的指針擺動起來，接著又回到零點。在反復實驗的基礎上，法拉第總結出了電磁感應定律，這一定律表明，在導體回路中產生的感生電動勢的大小與回路中磁通量的變化率成正比。

為了解釋電和磁的作用，法拉第引進了場和力的概念。他認為空間不絕對虛空而是布滿力線的場。場是帶電體或磁體周圍的以太介質的一種性質或狀態。電荷間的作用是通過電力線實現的，磁體對磁性物質的作用是通過磁力線實現的。法拉第對電和磁相互作用的這些解釋描繪了一幅與古代原子論者和牛頓的自然觀截然不同的自然圖景。他把場看做是帶電體或磁體周圍的一種物理存在，這是物理學基本概念的重大發展。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋是英國偉大的物理學家，他把場和粒子看做是同樣具有實在性的客體，是物質的兩種基本形式。他十分敬佩法拉第的成就與思想，但是他認為法拉第的工作缺乏嚴格的數學形式，立志要用數學的語言加以總結和提高。從1858年開始，他系統地考察了自庫侖、奧斯特以來的電學成就，認為應該把電流的規律與電場和磁場的規律統一起來。為此，他引進了位移電流和渦旋場的概念。這種電場是渦旋場，它不斷改變其強度，因此它以可以產生變化的磁場。這樣一來，就有一連串變化的電場和磁場不斷產生，一環連一環，交替出現并且向四面八方傳播開來。這種物質的運動形式就是電磁波。麥克斯韋預言光波就是電磁波。場這一概念經過麥克斯韋的提高到19世紀末已普遍為物理學家所接受。

赫茲是德國的一位青年物理學家。在進行了物理事實的比較后，他確認，麥克斯韋的理論比傳統的“超距理論”更令人信服。于是他決定用實驗來證實這一點。1886年，赫茲經過反復實驗，發明了一種電波環，用這種電波環作了一系列的實驗，終于在1888年用實驗證明了電磁波的存在及其具有反射、折射、干涉等性質，證明了麥克斯韋的預言。麥克斯韋的理論揭示了電、磁和光的統一性，實現了人類對自然界認識的又一次綜合，它是物理學發展的又一里程碑，標志著經典物理學的成熟。

二、實驗方法

物理學發展的過程是以科學實驗作為它的基礎和出發點，作為它的真理性的標準的。沒有科學實驗，便沒有真正的自然科學。所以，實驗在物理學發展的過程中占有特殊重要的地位，因而物理學產生和發展規律是以“實驗—理論—實驗—理論”，不斷循環往復的規律進行的。

實驗是人們根據一定的研究目的，利用科學儀器、設備，人為地控制或模擬自然現象，使自然過程或生產過程以純粹的典型的形式表現出來，以便在有利條件下進行觀察、研究的一種方法。在自然狀態下，許多現象錯綜復雜地交織在一起，因而不容易發現現象之間的關系。人們在實驗中借助于科學儀器、裝備所創造的條件，排除自然過程中各種偶然的、次要的因素的干擾，使那些需要認識的屬性或聯系以比較純粹的形態呈現出來時，就能比較容易和精確地發現支配現象和規律了。

三、實驗的作用

實驗從本質上說，是把感性認識和理性思維的特點在自身中結合起來，這是實驗的主要優點——直接現實性。（1）實驗是證明科學知識的手段，可以借助于實驗來證明或反駁原先已被判明的理論原理；（2）實驗是發展科學知識的手段，即把實驗作為獲得新理論、新假說的直接來源。當然，在實驗中，這兩個方面常常是不可分割地聯系在一起的：人們在證明某種知識的同時，也就在一定程度上發展了這種知識；而在發展某種知識的同時，也就證明了這種知識。

科學實驗是科學認識的基礎，沒有科學實驗就沒有近、現代意義上的科學。但是，完全的科學認識不僅是實驗，還需要抽象思維，還必須發展到理論認識水平。就是進行實驗，也有個與理論思維的關系問題?？茖W實驗是離不開理論思維的。實驗必定要在某種思想或理論指導下進行。概而言之，貶低實驗，科學認識將由于沒有營養而枯萎，理論之樹也沒有根；忽視理論思維，實驗就會因盲目而喪失力量。事實證明，科學實驗的各個步驟，從實驗目的的確定，到實驗的構思和設計，再到實驗結果的檢驗與評價，處處離不開理論思維。

科學實驗與理論思維的聯系是辯證的：一方面，實驗必定受到某些科學知識體系的支配，另一方面它又產生更完善、更深刻的新的理論構成。在科學實驗過程中，經驗和抽象思維互相影響和滲透，抽象思維形式首先在科學實驗的物化形式中體現出來，而為了得到符合客觀對象的更全面、更高級的抽象，人們又要重新撇開一切感性的東西?？傊?，科學實驗把感性認識和理論思維的特點結合在自身中，它既是業已獲得的知識的真理性的標準，又是產生新的理論和原理的基礎。

教學過程是學習前人知識的過程，也是學習他們方法的過程。因此，在教學過程中，既要重視知識的教學，也要重視實驗的教學，這樣才能更加全面地掌握科學知識，為今后的創新打好基礎。

（作者單位 浙江省永康市古山中學）