（一）物理实验的特点
物理学是以实验为基础的一门基础科学。实验是物理学最基本、最重要的研究方法。
什么是物理实验
物理实验是科学实验的一种。所谓科学实验，就是人们根据研究的目的，利用科学仪器设备人为地控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在最有利的条件下去研究自然规律的一种活动。
培根说：“凡是希望对于在现象背后的真理得到毫无怀疑的快乐的人，就必须知道如何使自己献身于实验。”巴甫洛夫说：“观察是搜集自然现象所提供的东西，而实验则是从自然现象中提取它愿望的东西。”
在物理学产生和发展的进程中，物理实验自始至终占有极其重要的地位。早期的物理实验在古希腊时代就有了萌芽，但对古代学者而言，实验仅是附带的东西。
到了13世纪，英国的罗吉尔·培根（1219—1292）认识到只有实验方法，才能给科学以确定性，才能证明前人的说法正确与否，并把经验、实验、证明当做科学研究的三个重要途径。
14世纪，英国哲学家威廉（1300—1349）用实验否定了亚里士多德的“一切运动都有推动者”的说法，指出“物体已经开始运动就永远运动”。
法国哲学家让·布里丹（1300—1358）通过实验阐明了物体下落时有加速现象。文艺复兴时期，实验作为探索科学的道路、认识自然的手段，开始得到人们的重视。
达·芬奇（1452—1519）指出：“科学如果不是从实验中产生，并以一种清晰实验结束，便是毫无用处的、充满错谬的，因为实验乃是确实性之母。”他身体力行，从事各种实验取得许多成就。然而，物理实验作为特定的方法而确立，则应归功于意大利物理学家伽利略（1562—1642）。他认为自然科学本身就是实验科学，并主张用实验科学的知识来武装人们。他的实验研究是相当出类拔萃的：他对物理实验的巧妙安排、精心设计非同一般；他边搞实验，边自制仪器，努力摆脱当时实验条件简陋的束缚。他不仅反复强调了实验的地位和作用，而且对物理实验方法进行了较为系统的研究。他以实验方法为中心，把实验数学方法、逻辑论证相结合，使物理实验方法发展到了一个全面的高度，使物理学走上了真正科学的道路，也为近代自然科学的发展开辟了广阔的前景。
爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中高度评价了伽利略所创立的科学实验方法，指出：“利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”因此，伽利被誉为“实验科学之父”是当之无愧的。现代物理学的发展也从实验发现开始并在实验中发展起来的。许多物理学家都是为从事了著名的物理实验而获得诺贝尔奖。
科学实验来于生产实践，但又不同于生产实践，它和观察法相联系，但又区别于一般的观察方法。
物理实验的特点
1.物理实验可以简化和纯化研究过程。
自然界的事物现象是复杂的，它们相互交织在一起，单凭经验观察无法弄清中起主导作用的因素。而物理实验可以根据研究需要，借助于密仪器，严格控制实验条件，排除各种偶然因素、次要因素或外界的干扰，把自然过程加以简化和纯化；也可以选择一些因素、增添一些因素或减少一些因素，把要研究的因素分离、独立出来，把研究对象的某些属性或联系以纯粹的形式呈现出来。这样，经多次观察、实验和精细的研究，就可揭示出支配自然过程的客观规律。正如马克思所说：“物理学家是在自然过程表现得最确实、最少受干扰的地方考察自然过程的，或者，如有可能，是在保证过程以其纯粹形态进行的条件下从事实验的。”
例如，1799年，戴维在真空中用一只钟表机件使两块冰相互摩擦，并使整个装置都保持在水的冰点以排除实验物和周围环境的热交换，使实验在较纯粹的条件下进行。在如此纯化了的条件下，相互摩擦的结果使冰融化了。这说明冰融化所需要的热只能来源于摩擦，有力地驳斥了“热素说”，为分子热运动理论的建立奠定了基础。
又如，1956年，为了广验证杨振宁、李政道所提出的“弱相互作用下宇称不守恒”的假说，吴健雄就是在简化和纯化研究对象的情兄下，用钴-60来做实验的。因为在常温下，钴-60的热运动使其自旋方向杂乱无章，实验无法进行。为此，吴健雄把钴-60冷却到0．01K，使钴核的热运动停止下来，即排除了热运动的干扰，使实验得以顺利进行，从而证明了该假设的正确性。
2.物理实验可以强化研究条件。
在常态下，自然界的一些事物和现象不易暴露其特性和规律，只有使它处于某种极限条件下，才能揭示出它的规律性。在物理实验中，人们可以利用各种实验手段，创造出在地球表面自然状态下所没有的或者自然界中无法直接控制而在生产过程中又难以实现的某些特殊的极限条件，像超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场等。这样，就能使物质变化过程向着指定方向强化，从而可发现许多有重大意义的新现象和新事实。
氦气（He）在温度降低到4.2K（相当于268.95℃）时就蛮成液体。当温度继续降低到2.17K时，氦的性质就产生异常的突变：在2.17K以下，He-Ⅱ会自动地沿着器壁以膜的形式爬出来，爬行速度竟达到30厘米/秒。这时的He-Ⅱ完全不带粘滞性，并且导热能力也增大，甚至比银的导热能力还大200倍。这就是超流现象。没有实验，人们就得不到这样的超低温条件，当然也就看不到超流现象。
在超高压下，物质原子间的自由空间被压缩或电子壳层要发生变化，这会使物质的理化性质发生显著变化。石墨在20万个大气压、5000℃时，就可以转化为金刚石。又如，在超高温下，物质处于由离子、电子及未经电离的中性原子组成的“等离子态”。等离子态和气体有着大不相同的运动规律，被人称为物质的“第四态”。目前，对氘（重氢）的等离子体的研究，就是探索受控热核反应的重要途径。再如，在超低温下，几乎能使所有的气体液化，其中某些液化气体具有超导电性和完全的超磁性。
随着现代科技的发展和实验手段的改进，强化研究条件已成为可能。例如，在核物理研究中，范德格拉夫于1931年发明的静电加速器以及接着出现的回旋加速器，为加快中子、氘核等“炮弹”轰击原子核的速度奠定了基础。目前的高能加速器已能使基本粒子具有几千亿电子伏特的能量。
1905年，美国的布里曼奇发明了2万个大气压的高压装置；目前已发展到静态气压达200万—300万个大气压、动态气压高达1000万个大气压的超高压。1906年，荷兰的昂尼斯用人工液化氦的方法，获得接近绝对零度的超低温。
1929年，英国的伯奇等人发明了油扩散真空泵，可以得到相当于几十亿分之一个大气压的高真空。所以，目前的物理实验可以在各种强化条件下进行研究，从而导致许多新的发现。
3.物理实验可以加速或延缓物理过程。
自然界中，一些事物或现象的发生、发展和转化过程是比较短暂的，甚至转瞬即逝，使得人们无法对它们进行研究，如闪电雷鸣、地震山崩、重核的自发裂变等；而另外一些事物或现象的发展变化过程相当缓慢，使研究工作旷日持久、周期延长，有碍于自然科学的发展。但是，运用物理实验方法，我们则可主动地控制研究对象及发展变化过程，使变化过程加速进行或者延缓放慢，还可在不改变原来发展变化过程的情况下，人为缩短或延长其显示过程，以便于进行研究。
4.物理实验可以再现和重复物理过程。
在自然条件下发生的某些现象周期往往较长，甚至一去不复返，故无法重复观察、总结规律。而在物理实验中，人们可以使所研究的现象重复出现，以便于反复观察比较、总结规律。而且，可以再现是对实验方法的基本要求，不能重复的实验是没有意义的。
不论采用什么样的实验方法，实验都必须能够再现，也就是说，在相同的实验条件下，重复做此项实验，应该得出相同的实验结果。因此，任何一项实验报告，除了列出实验数据、写出实验结果外，还必须写明实验的时间、条件，以便重复进行实验。
1974年8月初，丁肇中和他的实验小组在美国的布鲁海文国立实验室的高能质子加速器上首次发现了“J”粒子。突如其来的发现，激动着每个人的心，但为慎重起见，他们又将实验反复进行了500多次，得到的都是同样的结果。
直到当年10月份，他们才对外宣布了这一重要发现。差不多与此同时，里希特等人在美国斯坦福直线加速器中心的实验窒也发现了这种新粒子，并把这种粒子叫做φ粒子。不久，西欧核子研究中心实验室立即重复了这个实验，马上找到了J/φ粒子，因而这一发现得到举世公认，丁肇中等科学家荣获1976年诺贝尔物理学奖。
与此相反，一些不能重复得出相同结果的实验是不会被公认的。例如，1982年2月14日情人节，美国斯坦福大学的布菜斯·凯布雷拉宣称在宇宙射线的研究中发现了一个单身游荡的“磁单极子”。可惜的是至今还未再观察到第2次，所以，他们的发现没有得到公认。
实验的新发现之所以必须被别人的重复实验所证实才能得到公认，主要是由于实验过程是复杂的。实验设备的限制、测量的精度以及对复杂现象作出错误的判断等原因，都可能导致实验产生错误的结论。所以，在科学史上有许多通过实验取得的“新发现”，后来被别人的重复实验所否定。不仅通过实验所取得的新发现需要重复实验得到证实，而且要在实验中作出新发现，也需要进行长期反复的实验。例如，法拉第历经10年的无数次实验，最后才发现了电磁感应现象；焦耳做了近40年的热功转化实验，最后才测得比较准确的热功当量数值。
科学发现需要重复实验，而实验也恰好具有便于重复的优点。这是因为与生产实践相比，实验规模小、周期短、耗资少，因而便于重复进行。
（二）物理实验与物理研究
从物理学发展的历史看，物理实验是物理学理论的基础，也是物理学发展的基本动力。物理实验在物理学发展中的作用主要表现在以下几个方面。
发现物理规律，建立物理理论
在经典物理学的发展中，伽利略的斜面实验、胡克的弹性实验、玻义耳的空气压缩实验等都为经典力学提供了实验事实，并建立了新规律；在电学方面，库仑定律、欧姆定律、法拉第电解定律和电磁感应定律等的建立，无一不是在大量的实验基础上做出来的；在光学方面，光的干涉、衍射、偏振等现象也都是首先在实验中发现的。
在19世纪和20世纪之交，正当人们纷纷认为物理学已经发展到顶点的时候，也正是x射线、放射性和电子等的发现，打破了沉闷的空气，揭示了经典物理的不足。从而开拓了新的领域，诞生了现代物理学。这一切，都说明了实验是物理学理论的基础。
物理学家为了探索自然的奥秘，不惜从事十几年、数十年的艰苦实验。例如，电磁感应定律就是法拉第经过10年的实验探索发现的。在此之前，于1820年，奥斯特在实验中发现通电导线能够使磁针发生偏转，安培通过实验证明了通电螺线管具有和磁铁相同的作用，戴维发现铁或钢材被通电导线环绕时能变成磁铁。这些发现说明电流能够产生磁场。善于思考的法拉第由此得到启示，并提出“磁有可能转化为电”的设想。
1822年，他开始了艰苦漫长的“转磁为电”的研究工作。他采用多种方法，如把大小不同的磁铁放在连有电流计的线圈附近的不同位置或把一根通有电流的导线靠近一根未通电流的导线等等，均未发现有电流产生。虽然成百上千次的实验都失败了，他却一直坚持了近10年。
1831年10月17日，当法拉第将一磁铁插进连在回路中的线圈的瞬间，回路中电流计的指针偏转了一下；但是，当磁铁在线圈中不动时，电流计指针不动；当把磁铁从线圈中取出的瞬间，电流计的指针又动了一下。法拉第接着又做了一系列类似的实验，都宣告了“转磁为电”的成功。之后，他又对该课题进行了深入的实验研究，从而总结出具有划时代意义的电磁感应定律，为开创人类的电气化时代奠定了基础。又如，美国科学家富兰克林，曾在雷电交加的暴风雨中冒着生命危险进行了“捕捉雷电”
的实验，从而明确了电学中的四个问题：空中有电；云中闪电与摩擦生的电性质相同；天空中的电可以被“捕捉”；带着闪电的物体与带电体之间具有相似性。他还根据实验结论发明了避雷针。
科学实验也是发明家取得成功的必由之路。例如，爱迪生一生中曾获1093项发明专利，其中科学实验方法起着重要作用。
爱迪生发明白炽灯时，为了寻找制造灯丝的合适材料，曾先后用l600多种矿物和金属材料进行了几千次实验，前后历时13个月，终于在1878年10月研制成功了一只炭化竹丝灯泡，亮度达40烛光。
物理实验作为一项独立的社会实践，它是人们认识自然、改造自然的重要途径。
人们只有通过变革自然界的活动，才能获得关于自然界的现象和本质的种种感性材料，并在概括大量感性材料的基础上，发现物理规律和建立物理理论。人们单靠思维和埋论是无法变革自然界的，这是因为思维和理论本身不可能在目然界引起任何变化，也不能使它自己变成现实。为了变革自然或者把思维变成现实，人们必须运用自己的器官掌握和使用物质手段作用于自然界，从而发现规律、建立理论，而用各种仪器设备武装起来的物理实验就是人作用于自然界并引起自然界变化的物质手段。除非通过人和自然界的这种物质作用，任何天才也是不能凭空发现物理规律和建立物理理论的。
验证物理假说，检验物理理论
通过实验不仅可以发现物理规律、建立物理理论，而且还能验证物理假说、检验物理理论的真伪。所以，实验既是建立理论的源泉，又是检验理论真理性的最终标准。
例如，1968年美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆提出了新统一假说，认为弱相互作用和电磁相互作用是统一的，并提出一套理论进行论证。但是，这一假说遭到一些物理学家的怀疑。
1979年美国物理学家莫玮和中国物理学家王祝翔等人合作，在美国费米实验室成功地进行了μ中微子和电子的碰撞实验，使弱相互作用和电磁相互作用实现了基本统一，从而验证了温伯格假说的正确性。同年，温伯格和萨拉姆荣获了诺贝尔物理学奖。
