物理九大思想方法

物理九大思想方法
观察　人们通过感官或借助仪器，有计划、有目的的地对客观事物进行系统考察和描述，这就是观察的方法。观察是人认识自然的最基本的方法，是获得感知、为建立科学理论提供原始资料的重要途径和手段。说明：（1）有明确的研究对象和观察目的。如英国物理学家，法拉第花了整整10年时间寻找"转磁为电"，终于观察到了当把磁铁插入绕有线圈的空心纸筒时，和线圈连接的电流计指针发生了摆动，由此发现了电磁感应。（2）综合运用感官，并借助科学仪器考察研究对象。例如观察回音--声波的反射及其产生的条件，要凭听觉和视觉--观察钟表显示的时间差或测量声源和反射物的距离。利用超声波进行水下目标探测时需借助仪器--声呐，且凭听觉同时观察荧屏上显示的回波信号来确定水下目标的位置。（3）力求全面地把握研究对象的各种属性，并以科学理论判断和理解观察结果。例如英国植物学家布朗在显微镜下观察到悬浮在水中的花粉粒子和无生命的烟煤粒子的不规则运动，但未能正确地解释其原因。人们在重复的观察中还发现粒子越小、温度越高，粒子不规则运动的程度越明显。随着分子运动论的发展，人们才认识到粒子的不规则运动是它们受到来自各个方向的液体分子的碰撞不平衡所引起的。（4）系统地、全面地、如实地考察自然事物，准确而周密地记录事实，并加以统计和概括，为揭露事物和自然现象的本质及其规律提供科学的依据。例如德国的天文学家开普勒在丹麦天文学家第谷积累30多年的高度精确的大量天体观测资料的基础上，对火星轨道进行周密计算与观测，摒弃了哥白尼提出的行星圆轨道运行的假定，提出了行星沿椭圆轨道绕太阳运行等著名的行星三大定律。
测量　　从量的方面对事物进行考察的一种研究方法，是量的观察。其目的在于深刻地、精确地把握事物质的特征及其数量的关系。物理学中要研究事物的规律性，就需要对各物理量，如长度、质量、时间、温度、电流强度、发光强度，进行考察和测量。说明：　 （1）要有一个统一的标准。1971年第14届国际计量大会在1960年通过的国际单位制（SI）的基础上，决定用7个基本单位：长度单位米，质量单位千克，时间单位秒，热力学温度单位开尔文，电流强度单位安培，物质的量单位摩尔和发光强度单位坎德拉。有了这些基本单位就可以得出所有的导出单位。基本单位和导出单位就是进行科学测量的标准。　 （2）必须建立在研究对象有比较深刻认识的基础之上。因为要进行量的观察，首先应明确表明研究对象的特征和属性，然后考虑尽可能提高测量精度的测量手段（仪器、装置）。例如要研究从斜面上加速下滑下的物体的运动是否属匀变速直线运动，首先应知道匀变速直线运动的特征是加速度恒定，做匀变速直线运动的物体在相邻的相等时间内的位移差是一定值。在中学物理实验中利用打点计时器记录数据，用毫米刻度尺测量各段相等时间内的位移，然后求出在相邻的相等时间内的位移差。根据位移差是否是定值，来判断物体的运动是否属匀变速运动直线。在这个实验中，长度的精确测量是至关重要的。推理　　由已知一个或几个判断为前提，得出作为结论的新的判断的思维过程就是推理。在推理过程中，已知的判断叫前提，推出新的结论叫－－推论，把真实的前提和推论之间的必然联系叫做推理依据。一切推理都是由前提、推论和推理根据3部分组成的。说明：　　（1）推理按前提的数量来区分，有直接推理和间接推理两种。只有一个前提的推理是直接推理。例如带电导体在达到静电平衡时，即电荷无宏观移动时，可以直接得出两个推论：导体是一等电势体，导体表面是一等电势面；导体表面附近电场中的电场线（电力线）必和导体表面垂直。有两个或两个以上的前提的推理是间接推理。例如金属能导电，铜是金属，所以铜能够导电。　　（2）根据推理的思维进程的方向不同，又有归纳推理、演绎推理和类比推理等几种。　　归纳推理是根据对某种事物中的个别现象的考察，所作出的关于该类事物的一般规律性的结论的新知的推理。归纳推理是一种扩大知识的方法。例如牛顿根据开普勒的行星运动定律，把天体间的力和地球使月球沿轨道运动的力及使地面附近物体坠落的力联系起来，归纳得出万有引力定律。　　 演泽推理是根据已知的一般原理，推知某个从属于该类事物的特殊事物的情况的新知推理。演泽推理是一种必然性的推理。例如已知带电粒子在电场作用下能作定向运动，可以推知金属内部自由电子在电场力作用下能作定向运动，所以金属能导电；电解质溶液和电离了的气体中存在离子，所以，它们在电场作用下也能导电。　　归纳推理是从个别到一般，因为个别之中包含着一般，所以通过个别可以认识一般。演泽推理是从一般到个别，因为一般存在于个别之中，某类事物共有的属性，其中每一个别事物必然都具有，所以，从一般必然能推知个别。归纳和演泽这两种推理形式是从们对客观现实的两种对立的认识方法的总结，它们既是对立的，又是统一的，缺少任何一个方面都不能认识真理。　　类比推理是根据两个对象（或事物）具有一系列相同的属性一，而且已知其中一个对象（或事物）还具有其他的属性，由此推出另一个对象（或事物）也具有同样的其他属性。例如科学家利用光谱分析首先确认在太阳大气中存在氦。由于太阳上的其他元素，如氢、氧、氮、硫、磷、钾，地球上都有，于是就类推地球上也可能存在氦，后来果然在地球上找到了氦元素。但类比推理的结论是或然的，因为推理的根据并不充分。例如火星和地球相比较，发现它们有许多属性是相同的，地球上有生命，于是就推测火星上出可能有生命。但迄今为止，包括利用降落在火星上的探测器在火星表面上所进行的生物化学实验结果来看，并没有发现火星上有生命存在的迹象。这表明类比推理的结论，有待于进一步的实验验证。
类比　　根据两个研究对象在某些属性或特征上的相似或相同，从而推断出这两个研究对象在其他属性或特征上也可能相类似的研究方法。　　自然界中的事物和现象尽管是千差万别的，但在一些事物或现象之间，往往具有某些相类似的属性或特征。采用类比方法，就可用已经认识了的事物和现象为人们研究还没有认识的并且与之相类似的事物和现象提供类似的说明。例如，法国物理学家库仑在利用扭称装置作了测定两个带电球体之间的相互作用力的大量实验基础上，采用与万有引力定律类比的方法，提出了两个点电荷之间的作用力跟电量成正比、跟它们之间的距离的平方成反比的假设。事实上当时还没有确定电荷数量的单位，且受仪器测量精度的限制，库仑提出这一假设纯粹是采用了类比法，当然，后来被理论和进一步的实验所证实。又如法国物理学家德布罗意在光的波粒二象性的启示下，采用类比法提出一切微观粒子都具有波粒二象性的假设，并从理论上建立了粒子与波动的联系。这一假设后来为电子射线通过晶体时与用伦琴射线通过同一晶体时一样能产生完全相似的衍射图样而得到证实。以后的许多实验中还发现，不仅电子具有波动性，其他微观粒子，如质子、中子、中性原子、分子也同样具有波动性。
假说
 以客观事实和科学原理为基础的对于各种未知事实（包括现象间的规律性联系、事物的存在或产生原因、未来事件的出现等）的猜测，这就是科学的假说。它是科学研究工作者最重要的思维方法。说明：　　（1）假说具有推测的性质。例如关于太阳系起源的各种假说，其中最有影响的是德国哲学家康德提出的“原始星云说”。　　（2）假说的基础是客观事实和科学原理。近20年来，科学家们根据30年代观察到的遥远星系所发出的光的红移现象，发现宇宙在膨胀和冷却等事实，认为星云不是“原始”就有的，而是经过一次“大爆炸”后才逐步形成的，提出了关于宇宙起源的新的假说。又如分子运动论是人们在对扩散现象、布朗运动等大量客观事实观察的基础上提出的关于物质结构的一种假说。　　（3）假说是人们的认识接近客观直理的方法。例如关于光的本性的认识，历史上许多科学家曾经先后提出了对立的不同假说。牛顿对光的反射、折射、色散等现象进行了大量的研究，认为光是由发光体射出的微粒所组成，后人称为“光的微粒说”，但“微粒说”无法解释光的衍射和干涉现象。惠更斯在长达15年的时间里，研究了光的反射、折射、衍射等现象，认为光和声现象相似，是在一种特殊弹性物质（以太）中传播的弹性机械波动，他所建立的“惠更斯原理”是“光的波动说”的核心。麦克斯韦在研究电磁场理论的基础上推算出电磁波的传播速度恰等于光速，由此推断光也是一种电磁波。爱因斯坦在研究光电效应时，把普朗克提出的辐射能量不连续——量子化概念推广到辐射的传播过程中，提出光量子假说，认为光辐射也是以一束一束能量形式存在的。运用光量子假说，成功地解释了光电效应。光的“微粒说”、“波动说”、“电磁说”和“光子说”的先后提出，反映了人们从不同侧面对光的本性认识的逐步深入，而且新提出的假说总比原先的假说更接近事实本身。从光既具有粒子性又具有波动性的事实，人们逐渐认识到光具有波粒二象性。
实验
　　为了能够仔细观察研究某一现象（或过程）发生的原因、特点、量的决定因素和规律，尽可能排除外界各种干扰的影响，突出主要因素，在一定条件下使这一现象（或过程）重演。这就是科学实验的方法。
说明：　　（1）实验是建立理论的基础，也是检验理论的标准。　　（2）在科学技术领域中，根据不同的研究目的，一般有以下几种类型的实验：　　决断性实验：判定某种因素是否存在，某些因素间有无联系，决定某些假定或设想的取舍等的实验。　　模拟实验：限于时空条件或观察条件无法直接进行的实验，用人为方法创设一定条件模拟实际发生的现象的实验。　　对照实验：研究不同的条件与环境对事物的发展与变化造成的差异的实验。　　析因实验：探索影响某一现象的发生和变化过程的主要原因的实验。　　在中学物理教学中，根据不同的教学目的和要求，一般有以下几种类型的实验：　　探索性实验：研究某些物理规律的实验。例如研究杠杆平衡条件、研究电磁感应现象的实验。这类实验安排在有关知识的教学之前进行，或可作为教学并进实验。其目的是让学生通过实验观察，对尚未学过的知识有一感性认识，并可归纳得出初步结论，为进一步学习有关规律打下基础。同时，探索性实验具有让学生“发现”规律、激发学习兴趣、培养求实精神与科学方法的功能。　　验证性实验：验证某些物理定律的实验。例如验证牛顿第二运动定律、验证玻意耳定律的实验。这类实验安排在学习过有关知识之后进行，要求学生定量分析实验数据，从中得出结论，并与所验证的定律作比较，以达到验证目的。如果实验结论与物理定律有偏离，还应分析产生误差的主要原因。　　基本训练性实验：熟悉某些基本测量仪器的操作与使用的实验。这类实验的目的是训练实验操作技能。在初中有长度、质量、时间、温度、电流（强度）等基本物理量的测量以及串、并联电路的连接等基本操作的实验，这些实验涉及刻度尺、天平、停表、温度计、电流表等仪器的使用。在高中则有游标卡尺、打点计时器、多用表、示波器等仪器的使用。进行这类实验时，应严格强调各种仪器的操作规范，务必使学生学会正确操作和使用，面对仪器的工作原理则不需详细阐述。　　测定物理常数和物理量的实验：为测定某一物理常数或物理量而进行的实验。这类实验的目的是让学生运用已经学生的知识和熟悉的器材，测定某些物理常数和物理量。例如测定物质的密度、不，测定重力加速度、测定介质的折射率的实验。这类实验要求学生理解实验所依据的原理，明确实验的条件、步骤和过程。由于受器材和实验条件的限制，对所测定的量的准确程度一般不作过高要求。　　设计性实验：根据目的要求自行设计的实验。这类实验对学生实验能力的要求较高，教学大纲中对此一般不作具体规定。这类实验可在高年级总复习阶段适当开设。例如初中，在学生理解串、并联电路的特点，并熟悉电流表和电压表使用的基础上，可以让学生设计只用电表和一个已知电阻来测量另一个未知电阻的实验；在高中，可以让学生设计验证反冲运动中的动量守恒等实验。
数学方法　　在科学研究中针对研究对象不同的特点，运用数学概念、方法和技巧，对研究对象进行量的分析、描述、计算和推导，从而找出能以数学形式表达事物的量的规律性的方法。　　16世纪以后，物理学逐渐发展成为一门成熟的自然科学，它不仅用实验方法代替了以往整体的观察法，而且引进了数学方法。例如伽利略的自由落体定律、开普勒的行星运动三定律、牛顿运动定律和万有引力定律等，近代物理学研究由宏观领域深入到微观领域，根据在科学实验中所发现的新事实建立了许多与经典理论完全不同的新理论，而这些理论的建立都是在数学方法的帮助下完成的，例如麦克斯韦建立的电磁理论，并运用数学的方法推导，预言了电磁波的存在；物理学研究进入微观高速领域之后，所产生的相对论和量子力学，都是采用数学方法作为表达形式。物理学的发展是和数学方法的运用分不开的。
说明：　（1）数学方法为科学研究提供简明精确的形式化语言。运用数学方法研究事物规律，对量与量之间的关系、量的变化以及在量之间进行分析、比较、推导和运算时，都是以符号形式（包括图象、图表）表示的，也就是运用一套形式化的语言。这种简洁、明确、严密的数学语言已日益透到各门科学中去，成为表达科学概念和科学理论的重要形式和手段。用简明的数学公式、数学符号系统、形式化的语言表达自然规律以及规律和复杂现象的联系，才能在科学研究中进行定量描述和理论概括，反映自然规律的普遍性。 　（2）数学方法为科学研究提供数量分析和计算方法。运用数学方法可以通过认识事物的量来认识物质的规定性。例如开普勒根据第谷积累的大量关于行星运动的观测资料，应用圆锥曲线理论，经过大量演算，建立了行星绕日变速运动的椭圆轨道模型，终于发现了行星到太阳的距离R跟行星绕日运行的周期T间的关系R3/T2＝K（恒量）。　（3）数学方法为科学研究提供逻辑推理的工具。在科学研究中，数学方法是一种有效的进行推理和逻辑证明的工具，是建立科学理论体系的一个有效手段，且具有预见性。例如法国天文学家勒威耶根据天王星的运动轨道，与根据万有引力定律计算出来的结果总有比较大的偏离，便应用天体力学理论结合数学的分析和计算，预测天王星轨道外面存在一颗未被发现的行星，并精确计算了该行星的运动轨道以及它在各个时刻的位置。1846年9月23日晚上，德国天文学家加勒把望远镜对准了勒威耶所预言的位置，立刻发现了后来被命名为海王星的这颗行星。又如电磁波的存在并预言了它以光速传播，是由麦克斯韦用数学"推导"出来的，15年后才由德国物理学家赫兹用实验证实；爱因斯坦通过质能关系式E＝mc2的研究，预示了原子核反应中质量亏损所产生的巨大量。以上事实表明，自然科学中的许多重要结论都是根据已知原理，运用数学的运算、交换法则，经过严密的数学推理证明后得到的。
控制变量　　根据研究目的、运用一定手段（实验仪器、设备等）主动干预或控制自然事物、自然现象发展的过程，在特定的观察条件下探索客观规律的一种研究方法。　　自然界发生的各种现象往往是错综复杂的，并且被研究对象往往不是孤立的，总是处于与其他事物和现象的相互联系之中，因此影响研究对象的因素在许多情况下并不是单一的，而是多种因素相互交错、共同起作用的。要想精确地把握研究对象的各种特性，弄清事物变化的原因和规律，单靠自然条件下整体观察研究对象是远远不够的，还必须对研究对象施加人为的影响，造成特定的便于观察的条件，这就是控制变量的方法。　　例如在研究气体的温度、体积、压强这3个状态变量之间的关系时，必须设法把决定气体状态的一个量或两个量用人为的方法控制起来，使它保持不变，然后来比较、研究其他两个变量之间的关系。在进行观察时，首先把研究对象限定为一定质量的气体，然后研究在温度恒定的条件下，它的体积跟压强的关系，得出了玻意耳定律。如果使一定质量气体的体积（或压强）保持不变，研究它的压强跟温度的关系（或体积跟温度的关系），便得出了查理定律了（或盖·吕萨克定律）。这三个定律都是用控制变量的方法得出的描述一定质量的气体的状态量之间的关系的实验定律，为建立理想气体模型、推导理想气体状态方程提供了可靠的实验依据。　　在研究物体的加速度跟所受的外力和物体质量的关系时，也采用了控制变量的方法。如先研究物体质量不变时，在大小不同的外力作用下，物体的加速度跟外力的关系；再研究在相同大小的外力作用下，物体的加速度跟质量的关系。这就是著名的牛顿第二定律。
理想模型　　人们在观察自然现象时，常会发现要研究的对象中的一些性质，对于现象的过程及其最终结果具有决定性的影响，而另外的一些性质则起次要作用。为了便于研究，人们在观察和实验的基础上，运用抽象思维能力，忽略次要因素和过程，只考虑起决定作用的主要因素和过程，把研究对象形式化、纯粹化，这就是理想化的方法。建立理想模型是科学抽象方法的一种形式。说明：　　（1）理想模型是以客观实体为原型进行科学抽象的产物，是客体主要特征的反映。例如力学中研究的“刚体”模型是固体的形状、体积不易改变的突出反映；分子物理学中研究的“理想气体”模型是一定质量的真实气体分子本身的体积和气体体积相比，以及分子之间的作用力在低压、高温下都显得十分微小这一特征的反映；光学研究中的“绝对黑体”模型是某些物体几乎能够全部吸收外来电磁辐射而很少发生反射的折射的这一特征的反映。　　（2）理想模型是研究解决实际问题的基础。建立理想模型代替实际的研究对象，可以使研究的问题大为简化。例如研究抛体运动，可以忽略抛射体的形状和大小，把它看成“质点”，只研究它具有一定的初速度和只在重力作用下的平动运动的情况，而不考虑它自身可能的转动及受空气阻力的影响等，这对速度不大的真实抛射体来说，它的实际运动情况和理想情况是很接近的。在解决如炮弹飞行弹道这类实际问题时，仍是以理想模型的研究为基础，然后考虑实际对象在运动过程中其他因素的影响，把研究结果作各种修正，便能较好地解决实际问题。　　（3）由理想模型建立起来的相应理论有一定的适用范围。例如库仑定律只适用于“点电荷”的情况，对于两个靠得很近的带电体间存在的相互作用力，就不能简单地直接应用库仑定律。又如理想气体状态方程只能近似描述真实气体在低压、高温下各状态参量间的变化关系，而在高温、低压情况下，则必须考虑由于分子间作用力和分子体积的实际存在而进行修正。