在确立选题的过程中，要了广解本门学科的历史、现状及存在的主要矛盾，善于发现物理学发展的每个阶段上出现的中心课题。这样，才能选准突破口、开辟新方向。
例如，20世纪初，人们是用α粒子和质子去轰击原子核产生人工核反应的。1932年查德威克发现中子后，意大利物理学家费米立刻意识到，不带电的中子易于进入原子核内部，对产生核裂变更为有效，因此最早提出用中子轰击原子核。此后，许多科学家都进行了中子对各种原子核效应的研究。1939年，哈恩、斯特拉斯曼在用中子轰击铀的实验中，实现了核的裂变。可见，费米选用中子来引起人工核反应的看法对推动核物理的发展和人类对原子能的利用起着重要的作用。又如，伽利略提出测量光速、焦耳提出测定热功当量等课题，都推动了物理学的发展。
正确的选题要求实验具有一定的目的性和计划性，同时还要有一定的灵活性，注意追踪有成功希望的线索。在物理学的某一领域一旦出现了新现象、新事物、新发现，有远见卓识的物理学家立刻会从各个可能的角度对其进行观察、实验，“跟踪追击”
去取得重大突破。这种情况在科学史上是不乏其例的。例如，法拉第早期的科学活动主要是协助戴维进行化学实验研究。当1820年奥斯特发现了电流的磁效应后，受到很大启发的法拉第立即产生“磁能生电”的想法，并开始了长期的实验研究，终于在10年之后发现了电磁感应现象和电磁感应定律。
实验的构思与设计
在进行实验前，首先要进行认真的实验设计。实验设计的任务，是在实施实验之前，先在思维中把这个实验以观念的形态大致完成。哪些干扰因素应设法排除，哪些次要因素要暂时撇开，一切都应该在实验设计时予以考虑。
实验的构思与设计是整个实验的关键性步骤，主要应做好以下几方面工作。
（1）深入分析实验研究对象。
运用已有知识和科学思维方法，对实验对象进行分析，明确实验对象所隐藏着的待揭之谜，找准主攻方向，预计可能会出现的情况，形成初步设想；还要根据所要研究的问题、所要揭示的规律、所要验证的理论或假说、实验中将要呈现出的需要验证或探索的有关量，来明确实验的指导思想，考虑沿着什么方向、用什么样的方法手段实现实验的目的。
（2）精心构思实验原理。
实验是在一定科学理论指导下进行的。对于现代物理学来说，这点更为突出。这些科学理论一般有两个方面：一是实验所探索的原理或设想；二是实验主体仪器所应用的科学原理。这两方面原理是实验构思与设计的理论基础。例如，迈克尔逊和莫雷用光的干涉效应，测量沿着互相垂直的两个方向发出的光线的速度之差，来验证以太假说的实验，最后以零结果否定了以太说。
（3）巧妙设计实验技术。
实验技术包括实验仪器和技术手
段。巧妙的实验技术不仅能把实验原理物化于其中，而且能在最有利的条件下获得准确的科学事实。例如，1970年有人就曾在布鲁海文实验室发现了J/ψ粒子有关的现象，但因仪器不够精确未能辨认。后来，丁肇中等人用了两年多的时间，研制出一架具有高分辨率的大型双臂能谱仪，从而在1974年发现了J／ψ粒子，被人称为是一次“精确度的胜利”。
实验结果的数据处理与理论解释
实验结果的数据处理包括技术处理和理论分析，它是运用数据揭示事物和现象之间本质联系的过程。对记录的实验结果加以整理分析，包括实验误差的分析、有效数字的运算和实验数据的处理。关于实验数据的处理方法，下面有一节将作专门讨论。
通过实验获得了大量实验事实、资料、数据后，必须以正确的理论思维为指导进行整理、分析和加工，这样，才能从中挖掘出它的深刻含义，进而导致新的科学定律的发现。
1851年，菲索为了更精确地了解以太与普通物质相互作用时的特点及性质，在流动的水中做了相对传播的两束光线的干涉实验。
实验得出的干涉条纹移动的结果表明，运动的物质部分地带动以太运动。
同时，菲索还求出了牵引系数随物质的折射率而变化。
由此可见，菲索实验可以作为以太存在并且部分地被运动物质牵引运动的“可靠证据”。但是，当狭义相对论提出后，根据洛伦兹变换式，菲索实验又成为否定以太存在、证明物质在运动状态中的尺度会有收缩的强有力的证据了。
同一个实验结果，原先作为证明以太存在的证据，现在又成了否定以太存在的佐证，得出了截然相反的两种结论。可见，理论思维对实验结果的处理起着多么重要的作用。
毛泽东指出：“我们的实践证明：感觉到的东西，我们不能立刻理解它，只有理解了的东西才更深刻地感觉它。感觉只解决现象问题，理论才解决本质问题。”
正确解释实验结果往往是不容易的，有时会出现谬误。例如，1859年普吕克尔从实验中发现了一种未知的射线；1869年希托夫发现这种射线能被磁场偏转；1871年瓦尔莱又发现射线带有负电荷；1876年哥尔德斯坦把这种射线称为“阴极射线”，但磁场中的偏转以及荷质比的测量，把它合理地解释为电子射线流。
对实验结果的解释，出现谬误的主要原因：一是根据不完善的理论或不充分的证据；二是错误地根据因果关系；三是错误地运用推理；四是主观片面性。为了避免渗误的产生，要对实验结果进行认真整理，以形成客观的、不带主观偏见或有意凑合的评价和解释，得出对原来假说的验证结果，提出对假说肯定、否定和修改与发展的意见。如果在实验中发现了新的线索，应指出它的意义并考虑下一步追踪研究的问题。
（五）物理实验的设计方法
要进行物理实验的设计，必须了解在物理实验中具有普遍意义的思想方法。
周密思考，分解课题，精心设计
英国科学家贝弗里奇指出：“最有成就的实验家常常是这样的人：他们事先对课题加以周密思考，并将课题分成若干关键的问题，然后精心设计为这些问题提供答案的实验。”
下面让我们看看伽利略是怎样设计研究自由落体实验的。
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。
伽利略首先从一个理想实验得出的佯谬入手，对亚里士多德的落体学说（即物体的下落速度与其重量成正比的学说）提出反驳，证明这一学说是错误的。
自由落体运动是否像亚里士多德
提出的那样，是匀加速运动呢？伽利略认为应该用实验做出检验，但要直接验证ΔvΔt是恒量在当时是很困难的。于是，伽利略运用数学知识，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的公式，即St2=常量，这是一个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。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。
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，伽利略用了一个单摆实验验证了这个假设。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g1g=tt1=sinα。
由这个关系，不难从g求出g1伽利略根据这个关系得出了自由落体做匀加速运动的结论。
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。
原理正确，实际可行
实验的设计，在原理上必须是正确的，同时又应是实际可行的。
有人曾设计了这样一个测量“凹面镜焦距”的实验：因为凹面镜的焦距近似地等于镜的球面半径的1/2，所以，只要测定了球面的半径，就可以知道凹面镜的焦距。
为测量球面的半径，使一个小滚珠在球面上通过最低点做往复运动。如果运动的幅度很小，则滚珠的运动可以看做简谐振动，其周期与单摆的周期相同，镜的球面半径就相当于单摆的摆长。测出滚珠往复运动的周期，就可求得球面的半径，从而求得凹面镜的焦距。
这个设计，看似有理，但从原理上来说则是错误的，因为滚珠的转动惯量对运动还有影响。例如，当球心到滚珠的半径与竖直线的夹角为θ时，滚珠质心的加速度并不等于gsinθ，因此滚珠做往复运动的周期也和相当摆长的单摆不同。而如果用一个小滑块来代替滚珠，则由于摩擦，滑块实际上是不能做往复运动的。所以，这只能算是一道物理习题，而不能算是实验设计。
明确物理实验的三个基本组成部分
在物理学史上有一些实验设计得非常巧妙，不仅目的明确、思考周密，而且抓住关键、出奇制胜。例如，1911年卢瑟福的α粒子散射实验，就是巧妙设计的典范。该实验的目的是为探明原子内部电子和其他粒子的分布状况，以检验汤姆逊的原子“枣糕”模型。
卢瑟福认为，要实现这一目的，惟一的方法是打碎原子。为了打碎原子，他选择了α粒子作为“炮弹”。他还对实验的过程和结果作出预计，认为当粒子穿过原子时，有的会发生偏转，有的会反射回来。这是他经过周密思考而提出的实验设计的基本思想。
根据这一实验设计思想，卢瑟福又精心设计了巧妙的实验装置：一端放着α粒子源R，用以放射“炮弹”；中间放一张极薄的金箔F，作为α粒子轰击的目标；另一端放置闪烁屏S，用以显示α粒子的轰击效果，以便收集实验数据。
实验结果表明：当α粒子射向金箔时，大多数α粒子顺利穿过原子，少数发生了偏转，极少数被反弹回来，具体地说，仅有1/8000的α粒子偏转大于90°，其中极个别的接近180°。
卢瑟福对实验数据进行了严密的数学计算和理论分析后得出结论：原子内部大部分空间没有大质量的粒子，所以，大多数α粒子能顺利通过；原子内有一个体积极小、质量极大的核，使极少数α粒子被弹回。卢瑟福的实验结果否定了汤姆逊的原子结构模型。卢瑟福于1911年提出了被称为“行星模型”的原子有核结构模型，推进了人们对原子结构的认识。
从这个例子中可以看出，一个完整成功的物理实验大致可分为三个组成部分：（1）实验源：它是实验信号的发生源，如a粒子散射实验中的a粒子源R。
（2）实验对象：它是实验源信号所作用的对象，如α粒子散射实验中的金箔F。
（3）实验效果显示器：这是用以呈现实验对象接受实验源信号作用后所产生效应的部分，以便通过直接或间接的方式进行效果的观察，如α粒子散射实验中的闪烁屏S。
当然，上述分法不是绝对的。在有些简单的实验中，实验源和实验对象是一个；在有的实验中，实验效果就显示在实验对象身上。
实验应尽可能在“纯化”的条件下进行
用实验方法来研究某一问题时，一般先要对研究对象和物理过程作初步的分析，弄清影响实验过程的外部条件以及内部的各个因素之间关系，抓住主要矛盾，排除各种干扰，使实验尽可能在“纯化”的条件下进行。
对于观察某一现象的物理实验，为了要使研究的现象与其他无关的现象区别开来，必须尽量排除各种干扰因素。例如，为了观察硫酸铜溶液中的铜离子的扩散现象，必须先将清水盛在细、高的容器中，再用长颈漏斗将硫酸铜溶液缓慢地注入容器的底部，然后静置于恒温的环境中，这样才能避免机械的扰动和热对流的影响，使我们观察到的是真正的扩散现象。
这个实验一般要经过一二天的时间，才能看出蓝色的硫酸铜溶液和清水的界面稍有模糊。笔者曾经在一些资料上看到有关扩散现象实验的设计：将容器内的液体加热，观察到扩散现象明显加快，由此说明分子运动的平均速度随温度的升高而增大。只要稍加分析就能看出，这种设计是错误的。
我们知道，分子的平均速度和绝对温度的平方根成正比，即υ-∝T，设实验中液体的温度由300K（27℃）升到350K（77℃），分子的平均速度才增大了原来的0．08倍，由此而造成的扩散速度加快在课堂的几十分钟内是不能观察到的。如果我们观察到了液体混合（我们不说扩散）速度的明显加快，显然是由于热对流的结果。
对于测量物理量的实验，也存在一个测量条件的“纯化”问题。我们大家都熟悉的用半偏法测量电流计内阻的电如下图路。
实验的过程是这样的：接通电键K1调节可变电阻R直到被测电流计G满偏；接通电键K2，保持R不变，调节电阻箱R0，直到电流计半偏，若调节R。过程中电路中总电流可认为不变，则电流计内阻rg等于R0。可见，为保证测量在“纯化”的条件下进行，必须使电路中的总电流保持不变。具体的方法有两种：一种是使电流计内阻远小F变阻器电阻，即rgR，这样，当接通电键K2和改变电阻箱R0的阻值时，电路中的总电流基本不受影响（根据一般实际实验中所用电源电动势值及电流计的量程，这个条件总是能满足的，但教学中对条件的分析仍是必须强调的）；另一种是在电路中串联一只监测电流计G0，如下图所示，当接通电键K划成本后，反复调节R和R0，使总电流保持不变而被测电流计半偏，这样就能使R0的阻值“准确”地（从原理上来说）等于被测电流计的内阻‰这两种方法各有特点：前一种方法强调了实验中近似处理的意义；后一种方法强调了理论上的严密性，但操作的难度较高。总之，这两种方法都是很有价值的。
善于改变实验的条件
利用改变实验条件的方法来揭露所研究的物理过程各个方面的特征，找出各个方面因素之间的关系，是实验研究的一种基奉思想和做法。
例如，为了认识电磁感应现象，我们先比较导体静止在磁场中和导体与磁场做相对运动这两种情况，再比较导体在磁场中向各个不同的方向运动的情况，由此认识到导体做切割磁力线运动时能产生感应电流。为了获得更全面的认识，再将两个线圈保持相对静止，使其中…个线圈通有电流，当这个电流改变时，另一个线圈中也产生感应电流。经过反复比较，我们终于认识到，穿过闭合电路磁通量的变化，足产生感应电流的普遍条件。
