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一一一一一一一一一m n l j 堕生 r f # 1 5 物理学方法在物理教学中的应用研究 课程与教学论专业 研究生 孙彦清指导教师 孙威立教授 物理教学中应用物理学方法是物理教学的重要任务之一，也是培养创新人 才的有效途径。如何结合物理学及其教学规律进行物理学方法教育，是广大物 理教育工作者垦待解决的问 题。本文从科学方法论出发，对物理学方法的特点 和价值进行了深入的分析研究，提出了物理教学中运用物理学方法的教学构想 和教学原则，尝试并探索具体物理学方法在建构问题教学、规律教学及实验教 学模式中的应用，力求对物理教学实践和物理学方法论教育的研究有指导作 用。 文章第一部分， 通过对我国大、中学校存在的重学科教学、 轻学科教育现 状的剖析，提出了物理学方法在物理教学中的应用研究，目的在于探索物理学 方法在物理学习、物理教学和研究中的应用途径，指导物理学习、物理教学和 物理学研究，促进物理学知识的再生产， 提高培养人才的素质和效率。 文章第二部分，通过对现有文献的分析、归纳、综合，我们认为物理教育 中涉及的物理学方法有:理想化方法、观察方法、实验方法、 假说方法、数学 方法、计算机方法和标度分析与变换法等。特别对微元分析法、非线性的线性 化法和平均值法的特点、实质和应用条件、范围进行了深入的讨论和分析，在 详细探讨标度分析与变换方法及其意义的基础上，给出了分析计算光子在太阳 引力场中被散射时的散射角的方法和计算公式，得到了和广义相对论的理论预 言值相符合的结果。 最后，本文通过总结物理教学过程的特点， 对现行物理教材体系的分析研 究，提出 在物理教学中 应用物理学方法的四构想和三原则，并结合教学实际， 就物理学方法在建构问题教学、规律教学及实验教学模式中的应用进行了探索 和尝试 。 关键词: 物理学方法物理教学科学素质教学模式 叨川师范大学课程与教争奋专业 a s t u d y o n t h e a p p li c a t i o n o f p h y s i c s me t h o d s i n t h e p h y s i c s t e a c h i n g ma j o r : c u r r i c u l u m a n d t e a c h i n g t h e o ry p o s t g r a d u a t e : s u n y a n q i n g . t u t o r : p r o f e s s o r s u n we i l i s c i e n t i f i c m e t h o d i s t h e t h o u g h t a n d t h e p a tt e rn o f b e h a v i o r i n s c i e n t i f i c r e s e a r c h . t h e p h y s i c s m e t h o d i s a r e s e a r c h w i t h d e s c r i b e s t h e p h y s i c s p h e n o m e n o n a n d p u t s i n t o p r a c t i c e p h y s i c s e x p e r i m e n t , s u m m a ry w i t h e x a m i n e t h e p h y s i c s r e g u l a t i o n a t o t a l f o r a p p l i e d e v e ry k i n d o f m e a n s o r o p e r a t i o n s . t h e r e a r e s e v e n m e t h o d s i n t h e p h y s i c s r e s e a r c h , i d e a l i z a t i o n m e t h o d , o b s e r v a t i o n m e t h o d , e x p e r im e n t m e t h o d , h y p o t h e s i s m e t h o d , m a t h e m a t i c m e t h o d , c o m p u t e r m e t h o d , m e a s u r e a n a l y z i n g a n d m e a s u r e c h o i c e .p h y s i c s m e t h o d i s b e n e f i c i a l t o l e a r n i n g p h y s i c s k n o w l e d g e ,p h y s i c s t e a c h i n g a n d s c i e n t i f i c r e s e a r c h .t h e i d e a l i z a t i o n m e t h o d i s t h e b a s e t o t h e b r e a k t h o u g h a n d d i s c o v e r s o f p h y s i c s . t h e o b s e r v a t i o n a n d e x p e r i m e n t m e t h o d a r e t h e h e a d s p r i n g o f e s t a b l i s h i n g p h y s i c s t h e o ry . t h e h y p o t h e s i s m e t h o d i s t o l e a d s t o t h e t r u t h n e c e s s a r i l y fr o m i t s r o a d . t h e m a t h e m a t i c a l m e t h o d h a s i m p o t a n t a c t i o n i n p h y s c i s . t h e ” c o m p u t e r m e t h o d i s t o r e s o l v e t h e p h y s i c s p r o b l e m a k in d o f e f f i c i e n t l y o f m e t h o d .t h e m e a s u r e a n a l y z i n g a n d m e a s u r e c h o i c e i s a m e a n i n g a n d d e v e l o p m e n t a l p h y s i c s m e t h o d .t h e m o r e i m p o r t m e n t t h i n g i s t h a t e d u c a t i o n o f p h y s i c s m e t h o d i s t h e i m p o r t a n t c o n t e n t t o r e f o r m t h e p h y s i c s t e a c h i n g . p h y s i c s t e a c h i n g h a s t w o a s p e c t s : k n o w l e d g e t e a c h i n g a n d m e h t o d e d u c a t i o n , s o w e b r i n g f o r w a r d t h e i d e a a n d p r i n c i p i a t h a t a p p ly p h y s i c s m e t h o d s in p h y s i c s t e a c h i n g . w e t r y a n d in v e s t i g a t e t h e p h y s i c s m e t h o d s in t h e p r o b l e m t e a c h i n g , r e g u l a t i o n t e a c h i n g a n d e x p e r i m e n t a p p l i c a t i o n i n t h e t e a c h i n g . k e w w o r d s : p h y s i c s m e t h o d s ; p h y s i c s t e a c h in g ; s c i e n c e q u a l it y ; t e a c h i n g m o d e l 口川师范大学课程与教李资专业 0前言 什么是方法， 方法就是为了解决某一个具体问题， 从理论或实践上所采取 的各种手段或操作的总和， 方法是在经验的基础上抽象概括而形成的，它反映 对客体的认识活动的规律l 。 科学方法是解决科学问 题的手段(2 1 。作为科学方法的典型代表，物理学方 法是研究和描述物理现象、实施物理实验、总结和检验物理规律时所应用的各 种手段与方法的总和3 ， 。 物理学方法的应用研究 就是对物理学习活动、物理学 教学活动、物理研究活动及其存在问题的研究，其目的在于反思该学科的研究 行为，探索物理学方法在物理学习、物理教学和研究中的应用途径，指导物理 学习、物理教学和物理学研究，增强科研人员的自觉性，促进物理学知识的再 生产， 提高培养人才的素质和效率。物理史实证明，重大物理学理论的突破与 产生，总是都伴随着新方法的诞生。一部物理学发展史， 也就是一部物理学方 法论的演化史。 物理学方法总是伴随着物理学知识的获取、 组织和运用产生的， 这就决定了物理学方法与物理学知识学习、教学、与科学研究是不可分割的。 与物理知识相比，物理学方法具有更普遍的使用价值，它不仅担负着获取、检 验、运用和发展理论的职能，而且有启发智力、提高科学素养和科学鉴赏力的 作用，并能指导我们进行创造性的工作。物理学工作者只有了解和掌握了正确 的物理学方法，才能更好地发挥才智和天赋，增加自 觉性，克服盲目 性，早出 成果，多出成果，取得成功。 物理教育是以物理学基本内容和基础知识为主体的一门学科教育。基础教 育的改革对物理教学改革提出了新课题. 物理教育要为人们在科学素质上的提 高和将来的发展提供必要性的、与时代进步和需要相适应的物理学基础知识。 物理教育不能把传授知识作为唯一的目的，而是应该把物理学家认识世界的模 式和科学思想方法贯穿在教学过程中， 使学生以 物理学家认识物理世界的方式 和途径去认识世界，在前人所积累的知识基础上能创造性地去开拓前人未曾涉 及的知识领域，这是素质教育的根本要求所在。 在我国，以 “ 轻” 、 “ 重”为主的教学模式，即轻能力、轻过程、轻探索、 轻多样、轻创造和重知识、重传授、重结论、重统一、重继承的教育状况不同 旬川师范大争课租与教学击专业 程度地存在着。例如，在物理教学中，注重的是书本知识本身的系统传授，而 往往忽视对知识形成过程的精心阐述，忽视素质和能力的培养， 更多地重视学 生学习 物理学的学习方法而不是物理科学自 身的科学方法论(a l 。 其结果是，中 学教育变成了 “ 应试教育” ， “ 题海战术”培养的是 “ 高分低能”的少具创造性 的 “ 机械人才” 。大学校院里 “ 基础扎实但创造性贫乏者”屡见不鲜。这些现 状不但与社会对人才的需要不相适应， 而且与“ 重视探究” 、 “ 重视过程与方法” 以 及 “ s . t . s思 想” s 7 等新的教育理念是 相悖的。 现实告诉 我们， 在 物理教学 过程中渗透和融入物理学方法，构建新的教学模式，是物理教学本身的改革需 要，也是人才培养的迫切需要。 作为科学教育的重要内容， 物理教学在学生科学素质培养方面具有独特的 学科优势。结合物理教学内容加强方法论教育是物理教学的重要任务之一，也 是培养创新人才的有效途径。基于此，本文从科学方法论出发，对物理学方法 的特点和价值进行了深入的分析研究，特别对微元分析法、非线性的线性化法 和平均值法的特点、实质和应用条件、范围进行了深入的讨论和分析，在详细 探讨标度分析与变换方法及其意义的基础上，给出了分析计算光子在太阳引力 场中被散射时的散射角的 方法和计算公式， 得到了 和广义相对论的理论预言值 相符合的结果:本文认为在物理教学中应用物理学方法具有重要的现实意义; 通过对现有物理教材的分析，对物理教学过程特点的总结，我们提出了物理教 学中运用物理学方法的三个教学原则和四个构想;尝试并探索具体物理学方法 在建构问题教学、规律教学及实验教学模式中的 应用，力求对物理教学实践和 物理学方法论教育的研究有指导作用。 1科学方法论与物理问题 1 . 1科学方法论 科学既是一种人类的知识体系，又是人类认识世界的一种方式和探索过 程，是人类与自 然界之间的一种试探和对话。科学发展历史表明，科学认识活 动总是借助一定的方法来进行的，而对科学发展影响最大、最深刻的是科学方 法论，科学上的变革无一不与科学方法论的变化联系着。科学史家朱克曼曾走 访 4 1名诺贝尔奖获得者，发现其 “ 科学鉴赏力” 和 “ 高超能力”最主要的是 目川师范大学课程与教学论专业 得益于从名师那里 “ 学到一种发现科学真理的思想方法和工作方法” ，而不是 “ 从导师那儿获得的实际知识” 。他 ( 她) 们的成功均包容着方法和方法论的 成功6 。 科学从诞生到迅猛发展， 是靠两只翅膀支持着:一是科学知识，这是 人类智慧的结晶;二是科学方法和方法论，它同样是人类智慧的结晶。科学方 法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出来的正确的思维和行为 方式。与科学知识相比， 科学方法具有更普遍的使用价值，它不仅是获得科学 知识的最有效的手段，同时蕴藏着极大的智力价值，成为发展智力、造就高素 质人才的重要因素【月 。 我们有理由 相信， 科学方法和方法论将成为人类探索自 然、认识自 然和适应自 然的主要手段;方法和方法论将成为开发人类创造力宝 库的新钥匙。 1 . 2物理学科的特点 物理学作为一门 研究物质世界中物质系统相互作用和运动规律，以及物质 结构、物质演变的科学，既古老而又具有强大的生命力。物理学除了具备自 然 科学的一般性质外， 还具有本身的 学科特点，主要表现在ee l ( 1 )物理学是一门实验科学，实验和观察应是学习物理的基础，物理学 的一切理论都应以实验为检验标准。 ( 2 )物理学是一门严密的理论科学，它以物理概念为基石，以物理学定 理、定律为主千，建立了经典物理学与现代物理学及其各分支的严密的逻辑体 系。 ( 3 )物理学是一门定量的精密科学，从物理概念转变为物理量开始，它 利用种种数学表述手段为理论与实践 ( 实验)开辟道路，使物理学的结论可随 时加以严格检验。 ( 4 )物理学是一门 研究物质运动形式的一般规律及其应用十分广泛的基 础学科，它是其他自 然科学和各种工程技术、生产技术及新技术开发特别是现 代新技术革命的基础。 ( 5 )物理学是一门富有方法论性质的科学。物理学从它的早期萌芽到近 现代发展，都以它丰富的方法论、世界观等充满哲理的物理学思想影响着人类 的思想、观点和方法，影响着社会思潮和社会生活。 叨川师范大学课程与教争伦专业 从物理学的五个特点看，其本质的特征涉及三个基本因素:一是实验，二 是物理思想或物理方法，三是数学。同时，它们有机而巧妙的结合在一起。 1 . 3物理方法论教育 物理方法论研究的是解决物理问题的方法论问题，它是未来课堂教学的主 线， ， 。 新的教育 理念要求， 物理教 学的 任务一是激发学生 对学习 物理学的 兴 趣， 促进其心理品质的发展;二是引导学生了解物理学思想的形成过程，培养其观 察和实验能力、思维能力、分析和解决实际问题的能力;三是传授物理知识和 技能的同时使学生领会和掌握物理学研究方法。在一定意义上，物理学方法论 的教育是推进全面实施素质教育的一条有效途径。美国著名教育学家布鲁纳指 出:能力二 知识+ 科学方法十 技能c io 。 法国数学家、力学家拉普拉斯认为: “ 认识 一位天才的研究方法，对于科学的进步，并不比发现本身更少用处。 ”科学史 上的许多发现和发明，都是由技术手段和科学方法的进步而引起的， 重大科学 理论的突破与产生， 往往都伴随着科学方法的诞生。科学发现或发明的成果诚 然是可贵的，然而技术手段和科学方法的进步，比成果本身更有价值。因为， 有了先进的技术手段和科学方法， 便可以使科学持续地、长久地发展下去，由 此获得一系列的成果口 ， 。科学史实证明， 一部物理学的发展史实际上也是一部 物理学方法的创造史。纵观物理学生机勃勃、曲折复杂的历程，许多物理学家 如伽利略、牛顿、爱因斯坦等，在科学研究的崎岖道路上， 取得了一个又一个 新的成果，同时也创造了引人注目 的方法论。 作为一门自 然科学， 物理学整体上是由物理学科的知识和物理学的方法组 成的4 1 。 物理学方法论总是与 物理学的 研究相伴而生。由 于物理学研究的 是关 于物质的基本性质和能量转换的系统知识， 因此， 它使用的研究方法应用广泛， 具有一般科学方法论的价值。首先，物理学研究所形成的科学观、价格观、物 质观、自 然观、时空观、宇宙观对整个人类文化产生了深刻的影响，是各类科 技人才必须具备的基本观点: 其次， 物理学研究所形成的科学方法是科学研究 的最有效方法，也是培养和提高人才科学素质最有效的途径:再次，物理学研 究中崇尚理性、崇尚实践的精神是培养创造性人才必须具备的品质. 重视物理学方法在物理教学中的应用意义重大。第一， 物理教育已 成为科 .川师范大李课程与软学击专鸿 学素质教育中最重要的学科教育， 作为科学方法组成部分的物理学方法是科学 素质的重要组成部分，而衡量科学素质培养的标准之一就是对科学方法的理解 和运用;第二， 对学生而言，学习方法比 学习知识更重要。 这是因为， 离开了 思想和方法的知识是 “ 死”的知识，消极地接受知识的学生，只能成为知识的 “ 传话筒” 。了解到他人获取知识的方法，就能了解知识的来源，对知识不仅 能知其然，而且能知其所以然，从而加深对知识的理解，并在知识的选择、组 合、 探索和运用过程中形成能力叫;第三， 人类已 有的知识毕 竟是有限的，掌 握获得知识的方法，能使学生的认识不断深化，知识不断更新和 “ 增殖” ，也 能促进学生有效地运用物理学知识和方法进行科学研究。第四，物理学方法是 渗透在物理学内容中并在物理学中体现出来的科学方法，从物理教学的角度 看，它是物理教学的必不可少的一部分。物理教学应该是既教知识，更重要的 是教方法，教给学生发现物理知识的过程和方法，且寓方法教育于知识教学之 中， 使学生在学习知识的过程中自 觉接受方法训练。 这正符合有关“ 重视探究” 和 “ 重视过程和方法”等新的教育理念的要求，也符合学生的全面发展。 2物理学方法概述 物理学方法是人们在认识物理世界， 乃至发展物理科学的过程中形成的具 有普遍适用性的科学行为模式。 物理学研究对象的复杂性决定了 物理学方法的 多样性和丰富性.物理教育中涉及的物理学方法有:理想化方法、观察方法、 实验方法、假说方法、数学方法、 标度分析与变换法、计算机方法等。 2 . 1理想化方法 自 然界发生的一切物理现象和过程一般都是比较复杂的， 影响它们的因素 也是多种多样的。当我们研究某一具体的 物理现象或过程时， 必须去除表象， 删繁就简，对研究对象做一种简化的描述。这一思想方法的哲学意义就是，任 何矛盾都有主次之分，而事物的性质又是矛盾的主要方面所决定的。因而，突 出主要矛盾、分析矛盾的主要方面，忽略次要矛盾和次要因素，把复杂问题转 化为理想的简单问题，突出反映研究对象的本质特征， 准确而又简明地揭示自 然现象的性质和规律， 从而使研究对象以某种理想化的形态出 现， 就成为我们 研究物理问题时常用的思维方法，即理想化方法。物理学中， 理想化方法有三 曰川汗范大学课程与教学a-专业 . . . . . . ， ， . 叫 . . . . 巨_ 种表现形式。 1 理想过程 是把物体运动与状态的过程纯粹化、理想化后所抽象出来的物理过程，以 便从理论上进行研究。比如在热力学中， 引入了一个理想过程一准静态过程。 所谓准静态过程， 就是研究系统所经历的中间状态都无限接近于平衡状态的变 化过程。这样的气体状态及其变化就可用气体状态参量一温度、压力、体积等 来描述。再如，匀速 ( 变)直线运动、匀速圆周运动、自由落体运动、斜抛运 动、简谐振动，气体状态变化的等温 ( 压、容)过程、绝热过程、稳恒电流、 光的直线传播等等都属于理想过程。 2 .理想模型 理想模型，是指在原型的基础上经过科学抽象，忽略原型中的次要因素 集中突出原型中起主导作用的因素， 舍弃次要因素而建立起比实际情况简单却 又非常接近实际情况的模型。理想模型是原型的简化和纯化，是原型的近似反 映。 例如，经典物理学中的一个最简单、 最重要的质点模型，它把物体看作只 有一定质量的点，忽略了物体的具体形状、大小和内部结构等这些次要因素。 除质点外，力学中的刚体，光滑面、弹簧振子、单摆、简谐振动、平面波、 球 面波、连续介质、理想流体;热学中的理想气体、孤立系统;电磁学中的点电 荷、试验电荷、匀强电场、匀强磁场、纯电阻 ( 或电容、电感) 、理想变压器; 光学中的单色光波、点光源、光线、薄透镜;近代物理中的绝对黑体等模型。 它们共同的特点是:舍弃问题中一些次要的、非本质的属性，抽象出主要的、 本质的属性加以考察研究，从而建立起一个轮廓清晰、易于研究的新图像。 物理学中建立理想模型的意义是: ( 1 )理想模型可以 使问 题处理大大简化。 例如，地球相对于太阳的 运动 本来是比较复杂的，既有地球绕其地轴的自 转，又有地球绕太阳的公转。而且 由于地球本身是个具有一定大小的球体， 球体上各点对太阳的运动情况并不一 样。 但是， 在研究地球绕太阳公转时， 考虑到日、地平均距离 1 4 9 5 0 万k m ，比 .川师范大学谋程与教学德专业 表征地球大小的地球赤道直径2 r 大的多，约为r的2 3 4 3 9 倍，因此，地球上 各点相对太阳的运动差别可以忽略，即地球绕太阳公转时，地球可视为没有形 状和大小的质点。这样，使得处理地球相对太阳的问题大大简化。 实际上，质点或点电荷都是真实物体或真实带电体的简化和抽象，但二者 是万有引力定律、牛顿运动定律、库仑定律、洛仑兹力公式等基本规律以及质 点力学等基本理论赖以建立的基础。 ( 2 )理想模型突出了物质结构原型的本质特征， 便于进行逻辑思维和发挥 想象力。理想模型的建立都需要充分发挥想象力和综合运用多种逻辑方法。理 想的模型能帮助我们从整体上去把握事物的机制和本质，舍去种种次要因素和 不必要的细节。利用这些模型， 使我们能够从现有的条件为基础，又能超越现 有的条件， 很方便地进行逻辑推理和发挥想象力， 为今后的科学研究指明方向。 以物理学中的第一个微观理论一理想气体的微观模型为例。该模型假定: 气体 分子的大小与气体分子之间的距离相比可以忽略不计;气体分子在运动过程中 遵守牛顿运动定律，气体分子之间以及气体分子与气壁的作用简化为弹性碰撞 它们之间可以交换能量和动量，但不改变气体分子的内部能量:气体分子除碰 撞瞬间外分子间的相互作用力可以忽略不计，分子所受重力也可略去。这样， 就把气体看成是自由、无规则地运动着的弹性球分子的集合，这种模型便是理 想气体分子模型。理想气体分子 模型实质在于忽略了分子内部复杂的结构和分 子内部的运动，也忽略了分子内部各种形式的能量交换。然而，在如此简单、 粗糙的理想气体模型基础上建立的气体分子运动竟然得出了大量的与实验相 等的理论结果，把物理学引入了分子世界，确实令人惊奇。这是由于理想气体 的微观模型正确地揭示了气体动力过程中分子的本质特征。 ( 3 ) 从理想模型与实际原型的差异分析中产生科学预见。一切理想模型 都有一定的限制条件和适用范围，当理想模型与实际结果发生矛盾时，必须对 模型本身及实际情况进行深入细致的分析，从这些分析中往往可以得到启发， 形成新的科学预见。例如，真实气体在温度较高、密度或压强较小的情况下， 与理想气体模型符合较好，但在高温或低压情况下， 研究发现真实气体与理想 气体相差较远。荷兰物理学家范德瓦尔斯对二者形成差异的原因进行了研究， 他认为理想气体模型的两个假设:一是气体分子被当作质点，即分子本身的体 .川汗范大争课租与教学资专业 积忽略不计;二是气体分子间的相互作用力除碰撞外可以忽略是引 起偏差的主 要原因。如果把分子看作是球形，分子半径的数量级为1 0 - i m，分子体积约为 v = 4 71r 3 二 4 .2 x 1 0 - 0 m 。 在标准状态下，1 m o l气体的分子的总体为 v二 6 .0 2 2 x 1 0 x 4 .2 x 1 0 - 3 0 二 2 . 5 x 1 0 -6 m ，它大约为1 m o l 气体所占 体积的1 / 万， 在 一 般情 况下， 确实 可以 忽 略。 但当 压 力 增加 到5 x 1 0 8 p , ， 即5 0 0 0 个大 气压时， 假定玻意耳一 马略特定律仍能成立 ， 这 时气体体积将为 2 2 .4 x 1 0 - / 5 0 0 0 = 4 .5 x 1 0 -6 m 。 即 分 子 本身 的 总 体 积比 气 体 所占 体 积的 一 半 还 多， 不能再忽略。 在l m o l 理想气体状态方程p v = r t 中， v 表示气体可被压缩 的空间， 对真实气体而言，分子本身占有一定的体积，可压缩空间比 容器小一 量值b ( b 与分子本身体积有关) ， 所以当考虑气体分子本身体积时， 气体的状态 方 程应修正为av 一 b ) 二 r t 。 另外，真实气体分子之间有相互作用力。在一般压力下，气体分子间的力 是引力( 在低压状态下，分子间的距离相当大，这种引力非常小，可以忽略) 这种引力的合力削弱了施与器壁的压力，即分子施与器壁的压力应减少一量值 p i ( p常称为内 压力 ) 。 所以， 器 壁所受的 压力，也就是实际测出的压力， 应为 r丁 p = v - b 一 。 或 p + a : ) ( v 一 b ) 二 r t 。 由 推 导 可 知 ， ，二 典( a 为 常 数 ) ， 于 是 ， 犷 将p代 入上 式， 得( p + a i v z ) ( v 一 b ) 二 r t 3 。 这 就 是1 m o l. 范 德瓦 尔 斯方 程。与 理想气体方程相比，范德瓦尔斯方程更好地反映了客观实际。 3 .理想实验 理想实验是指运用形象思维能力去构思研究对象的假想过程，同时又运用 概念、判断、推理等抽象思维手段对研究对象进行逻辑上的分析推导。它以真 实的物理实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维来展开实验过程的一种理论 研究方法。 伽利略用著名的理想斜面实验发现了 惯性定律，取得了经典力学发展的重 大突破;电磁场理论是麦克斯韦把奥斯特和罗兰的实验以及法拉弟的实验理想 化，从而得到把空间中任何一点以及任何时刻的磁场和电场的变化连结起来的 定律;爱因斯坦就是成功地运用理想实验方法做出划时代科学发现的大师， 他 目川师范大李讲祖与教学德专业 的有名的关于同时性的相对性的理想实验和关于惯性质量和引力质量等效性 的理想实验， 为他创立狭义相对论和广义相对论奠定了基石.可以说，物理学 的发展许多 情况是与理想实验密切相关的旧 。 需要指出的是，无论是理想过程、理想模型，还是理想实验，虽然都是人 们在思想中用逻辑方法塑造的理想对象，但它绝不是毫无根据的自由想象，它 来源于对实验事实的综合分析，它的建立、适用范围都应以观察和实验获得的 材料为依据，绝不允许主观臆造。 2 . 2观察方法 观察是最基本、 最古老、最直接的科学方法，也是当今严密的科学研究中 最常用的方法之一。物理学中的观察方法是指人们有目的、有计划地通过感觉 器官或借助于科学仪器，对处于自 然状态下的客观事物进行系统考察，从而获 得经验事实的一种科学研究方法和知觉活动。 人类探索自 然和改造自 然的一切实践活动都离不开观察方法。 观察方法在 物理学研究中占有重要地位， 特别是对那些不易控制或改变其条件的物理过程 只有依靠观察。例如，爱因斯坦广义相对论的三大预言就是在天文观测中得到 验证的。在高能物理中，对宇宙射线的长期观察而发现了许多基本粒子，丰富 了人们对客观世界的认识。近年来，由于遥感技术和空间科学的发展，观察技 术和观察手段正在发生质的变化，观察的广度、深度和精度大为提高，观察的 作用日 益增强，观察的范围日 益扩大。利用射电望远镜等工具，可以 观测到非 常遥远的天体;光学显微镜和电子显微镜的研制成功及改进，加深了人们对物 质微观结构的认识叫。因 此， 随着物理学的发展， 观察方法的不断丰富， 物理 学的研究逐步深入，观察方法也在不断的发展之中。常用的观察方法有: 1 .有目的观察 就是针对所要了解的问题，进行有的放矢的观察，以便从中发现物证、找 出规律。有目的观察， 必须注意重点观察。例如，“ 布朗运动”就是有目的观察 的结果。布朗先是观察一种植物花粉悬浮在水中的形态，看到花粉团粒在水中 作不规则的运动， 有些在更换位置， 有些在改变形态， 有些在不停地旋转， . . ， 他作了如下的记录: “ 我确信这种运动不是由于液体的流动所引起的也不是由 叨川师范大学课程与教学抢专业 于液体的逐渐蒸发所引起的，而是属于团粒本身的运动。 ”为了证实这种看法， 布朗把观察的对象扩大到其他植物的花粉团粒，发现存在同 样的运动。布朗开 始 认为， 这 种运 动是 植 物生 殖 器首 雌 雄交 配的 结 果。 但 是， 在 一 次 观察 中， 他 偶然把捣烂的植物叶子放在水中，也发现有同样的不规则运动的存在。于是他 又用烟灰、泥土、 矿物质等无机物微尘以及其他有机物进行仔细观察，结果发 现，都会在水中作无休止的无规则运动，从而揭开了自 然界普遍存在的分子运 动的奥秘，使人类的认识更加深入。这是布朗运用有目 的观察法获得的成功。 2 .长期观察 自然事物或现象的发展变化微妙曲折、周期长短不一，所以，只有坚持长 期观察，才能得出有价值的资料。如现代物理学中对 “ 基本粒子”的研究，就 是靠长期对宇宙射线的系统观察，从而发现许多新的基本粒子的。但是，人生 短暂，对有些现象无法进行长期完整的观察，因此，充分利用前人的观测资料 就显得十分重要了。例如，哈雷收集前人有关慧星的记录，根据牛顿力学理论 以及他人的实际观察，认出了他所关心的那颗慧星 ( 称之为哈雷慧星) ，预言 了它的再次出 现， 并被天文观测所证实 s t 3 .细微观察 事物的变化有时是细微的和偶然的，而细微的变化中往往蕴藏着质的飞 跃，偶然的变化中包含着必然性。所以，对偶然观察到的奇怪现象也不能轻易 放过。物理学上，许多重要发现虽然常常在特定的条件下带有偶然性，但在偶 然性观察中也会发现必然的规律。 如， 伦琴发现.r 射线、贝克勒尔发现放射性、 奥斯特发现电流的磁效应等， 无一不是从观察到的 某种偶然现象开始的。 卢瑟 福通过基本粒子的轰击实验，在2 5 0 0 张4 1 万个基本粒子的径迹照片中认出了 6张没有出现a 粒子的照片，从而找到了人工制造同位素以及转变元素大门的 “ 钥匙”u e 7 。 4 .精确观察 观察贵在精确，既要注意事物状态的变化，又要注意事物量的变化，这样 才能更有效地揭示物质的变化规律。 物理学家丁肇中让助手们花了 近两年的时 四川师范大学课程与教学抢专业 间制造出高分辨率的双臂质谱仪， 提高了实验的精确度， 才使这个小组在1 9 7 4 年 发 现 了w 粒 -t - 5 .归纳观察 反映物理现象、物理过程的本质属性，总结物理现象和物理过程的一般规 律或研究变化因素较多的问题时，通常采用归纳观察法，即通过对个别现象的 分别观察，得到一些个别的结论后，再归纳概括出一般的规律。例如，欧姆为 了 研究电流强度、电 压和电阻之间的关系，先在确定电压不变的情况下，观察 电流与电阻之间的关系; 然后再确定电阻不变的情况下， 观察电流与电压的关 系;最后，通过归纳得出欧姆定律。 6 .对比观察 对两个事物、现象进行对比，或对基本现象发生变化的前后情况进行比较 是人们认识物理世界的重要方法。例如，在观察沸腾时，对液体沸腾前和沸腾 时的情况进行比较就会发现:沸腾前，液体内部形成气泡并在上升过程中逐渐 变小，以 至未达到液面就消失了;沸腾时，气泡在上升过程中逐渐变大，达到 液面后破裂。通过对比观察得知:沸腾是液体内部和表面都进行剧烈地汽化的 过程。物理学中，开普勒之所以能有行星运动三定律的伟大发现，就是把他的 老师丹麦物理学家第谷多年积累的天文观察资料和自己的观察结果结合起来， 认真进行比较而总结出来的.哈雷的慧星运行周期的科学预言也是通过比 较观 察作出的。 观察是在事物自 然发生的条件下进行， 它不涉及实验，不具有变革或控制 研究对象那种主动性;另外， 靠观察来研究自 然界一般不确切，只有通过实验 的验证， 才能对被观察的对象得出正确的结论。当然，对一些不能采用实验方 法的领域，比如天体运行、地壳变迁等现象，观察方法仍大有用武之地。 2 . 3实验方法 物理学是一门以实验为基础的学科。在物理学中每个概念的确立、原理和 定理的发现，无不有坚实的实验基础。 物理实验是物理学最基本、 最重要的研 究方法，也是物理学的一个基本观点。 口川师范大学谋租与教争资专业 2 . 3 . 1实验方法的特点 实验方法是人们根据一定的目的和计划，利用仪器、设备等物质手段， 在 人为控制、变革或模拟自 然现象的条件下获取科学事实的方法。 实验方法同观察方法有密切的联系，它是在观察方法的基础上发展起来 的。实验方法的 特点有( 7 1 i .实验可以 简化、纯化和强化自 然过程，从而导致新发现 由于自 然事物所具有的复杂性，仅靠观察方法很难揭示事物各现象之间的 本质联系. 在实验过程中， 人们可以 通过一系列手段千涉自 然过程， 使之简化、 纯化或强化，以便突出主要因素，排除次要、偶然因素，加深对事物实质的认 识。从这个意义上看，实验过程本身是一种科学抽象，是仪器中所凝聚的思维 对自 然的抽象。 在物理学中，发现负质子的过程就是一个很好地简化和纯化过程的例子。 当安德森发现正电子以后，物理学家根据对称原理推测，可能存在有负质子， 于是制造了几十亿电子伏特的回旋加速器。但是要观察到负质子，必须能够把 同负质子伴随产生的其它粒子滤掉，这样才能找到负质子。但美国物理学家张 伯伦和西格雷等人借助一种复杂的电磁场、狭缝等构成的 “ 迷宫， ，使得当 物 质遭到轰击时，只有负质子才能够穿过 “ 迷宫” 达到观察端。这两位科学家通 过这种纯化装置，发现了负质子，并于 1 9 5 9年获得了诺贝尔物理学奖。在强 化过程中，人们可以发现常态下所不能发现的东西。例如，人们在超高温的条 件下发现了 “ 等离子态， ;在高压的情况下发现的 “ 超固态” 等。 可见，实验中的简化、纯化和强化，可以为我们带来许多新的发现。 2 .自 然过程的模拟 模拟是实验中更为重要和普遍的过程。它可以对不可接近的自 然现象进行 间接研究，从而扩大研究对象的时空范围. 模拟过程可以减少许多实际实验所带来的麻烦，从而更利于控制自 然过 程，给研究者带来方便。当 然，任何模似都不是随意的，而是根据相应的相似 原理进行。 口川师范大争课程与教学伦专业 3 .重视实验过程中的机遇发现 科学虽然是人们有目的、 有计划的研究活动， 但它毕竞是对未知自 然现象 的探索，因而不可能预先把一切过程囊括无遗，总会不时地遇到一些意外的现 象，而深入研究这些地意外的 现象又往往导致重大科学的发现。因此，在实验 过程中要注意捕捉机遇。 “ 机遇只偏爱那些有准备的头脑。 ”根据科学家的经 验，有准备的头脑应具有的主观条件是:敏锐的科学洞察力;高度的 判断力; 科学的想象力:丰富的知识和经验。 2 . 3 . 2实验的意义 实验是推动物理学发展最具活力的因素。在经典物理学发展中， 伽俐略的 斜面实验和落体实验拉开了 实验物理学的序幕u e l随后， 胡克的 弹性实验、 玻 意耳的空气压缩实验等都为经典力学提供了实验事实，并在这基础上建立了 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中做出来的。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。在 1 9 世纪和2 0 世纪之交，正当人们纷 纷认为物理学己发展到顶点的时候，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。 特别指出的是，作为一年一度的物理学的最高奖励一诺贝尔物理学奖，从 1 9 0 1 - - 1 9 9 2 年共有 1 4 0 位获奖者， 其中因实验而获奖的科学家就有1 0 3 人， 约 占7 4 % 17 9 1 。 正如张文裕先生所论述的: “ 科学实验是科学理论的源泉， 也是工程 技术的基础。 ” 丁肇中教授在1 9 7 6 年荣获诺贝尔物理学奖时所写的一封信中说: “ 事实上，自 然科学理论不能离开实验的基础。 特别， 物理学是从实验中产生 的。 ” 物理学的发展进一步说明， 正确处理理论和实验的关系， 对于科学研究和 发展具有重要意义(2 01 。 物理学理论是在实验的基础上通过对实 验现象的观察、 测量和分析研究、加工处理，形成一定的概念、判断和推理，从生动的直观到 抽象的思维， 进行分析和概括。 脱离了实验的理论就会失去坚实的实践基础， 变成一种纯粹的猜测和假设， 得不到验证的确认。 但是， 实验要有理论的指导， 田川师范大学课程与教学抢专业 脱离了理论的实验容易变成现象和数据的堆积， 而找不出 它们内 在的联系和规 律，有的甚至成为盲目的实验。麦克斯韦的电磁场理论只有当他预言的电磁波 被赫兹的实验证实后才真正成为电磁理论的基础;爱因斯坦的光电子假设直到 1 9 1 6年被密立根的严密的光电效应实验证实后，光的波粒二象性才为人们接 受;德布罗意的物质波假说也是在发现电子衍射后得到肯定的。理论有一定的 适用范围。这个范围往往也要由实验在检验理论的过程中来确定。事实上，物 理学领域的所有研究成果都是理论与实验密切结合的结果。 总之，没有实验，理论是空洞的;没有理论，实验是盲目 的。实验是物理 学理论发展的 源泉，理论对实验具有重要的 指导作用2 u 2 . 4假说方法 假说是人们在观察和实验材料的基础上，根据科学原理和新的科学事实进 行理性思维的加工以后，对未知的现象及规律所作的假定性解释和说明， 并以 此作为指导，进一步对事物进行探究，它是在进行研究之前预先设想的、暂定 的结论。 在物理学的发展中，假说几乎出现在它的各个研究领域以 及各个发展阶 段，如哥白尼的日心说、康德一拉普拉斯的星云假说、大爆炸字宙说、黑洞假 说等。近代物理学中关于原子结构的卢瑟福核式结构模型、玻尔量子假说等; 关于原子核结构的液滴模型、壳层模型、集体运动模型等;关于超导研究中的 b c s 理论等，都曾经或仍以假说的形式出现。 概括起来，假说具有的特征是: 1 . 科学性 假设要建立在明确的概念、已 有的科学理论和科学事实之上，并得到一定 的科学论证。物理学研究中，从们虽然并不排斥富有启发性的幻想和神话，但 它决非科学意义上的假说。要划清科学假说与幻想神化的界限。尽管有些假说 被实践证明是错误的，但它仍包含有合理的成分。例如，关于原子结构的汤姆 逊模型虽被推翻，但在物理学发展中仍具有一定的作用，亦可称为某种意义上 的假说。而有些幻想、神化即使今天变成活生生的现实，也够不上科学假说。 好的假说在未经实践检验以前，虽然不可避免地存地着不足或错误，然而并不 .川师范大学条a与教乎杏专业 失其科学性。 例如， 2 0 世纪初德国 物理学家德鲁德和洛仑兹为 解决金属导电问 题提出的 “ 经典自由电子论” ，虽然无法解释自由电子对比热的贡献，然而它 给出了自由电子导电的直观图像，因而它是科学的。由此可见， 假说之所称为 假说，一个重要因素是它具有一定的科学性，它既不是主观臆造，也不是缺乏 科学论 证的 简单猜想或随 意 幻想 a u 。 假说一 但失去事实 基础和科学依据， 又未 经受一定的实践检验，它也就失去了存在的价值。 2 ， 推测性 假说的推测性在于它往往是建立在不够充分的事实根据和不够完善的理 论基础之上，它的主要内容还有待于实验验证，因此，它只不过对研究对象的 j性 质、结构或运动变化规律等提出了一种有根据的尝试性猜想。假说只有经过 加工雕琢，才能达到理论研究的模型化;只有经过实践检验和证明，才能上升 为理论。例如， 在天体物理研究中，1 8 4 5 年法国天文学家勒维烈和英国天文学 家亚当斯根据天王星轨道的理论计算值和实际测量值不一致的现象，运用万有 引力定律计算了天王星轨道要素的实际数据和理论值的差数，作出了上述现象 源于一颗未被发现的行星对天王星进行摄动的推测性解释，并预言了这颗未知 行星的位置。1 8 4 6 年报9月2 3日，柏林天文台的加勒在勒维烈预言的位置差 1 0 的地方果然发现了这颗行星并命名为海王星。再如，对原子结构的初期研究 中， 玻尔根据氢原子光谱的实验规律和卢瑟福的原子有核模型并在普朗克量子 化思想的启发下，以著名的玻尔假设建立了半经典半量子的圆轨道量子理论， 预言了原子能级的存在，解释了 氢原子光谱的成因，后于 1 9 1 4年被夫兰克一 赫兹用电子与汞原子的非弹性碰撞实验证实了【刘 。 在科学研究中， 假说因受有限事实的局限，故不管其可靠程度如何，在未 被充分的事实证明以前都只能是一种想像和推测。 3 . 可变性 假说是一种尚待证明的东西，带有一定的想像、推测成分，具有或然性。 在实践的检验下，它可能被证明是真理而变成理论，也可能被证明是谬误而被 淘汰，因而它必然具有很大的可变性。假说的这一特点，使我们在物理学的研 究中可以对同一物理现象提出不同的假说，有时甚至是完全对立的假说。通过 不同假说之间的