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浅论物理科学方法毕业论文一、几位伟大科学家发现理论所运用的科学思想方法1.1 伽利略的观察与试验方法伽利略的前辈们喜欢用主观想象的方法来武断解释自然现象，伽利略开创了“观察与试验方法”，主张一切研究必须以事实为依据、以事实为检验标准，使人类对自然的探索真正进入了科学研究范畴。例如，在自由落体运动的研究中，开始，他提出速度增量正比于通过的距离的假设，经过简单的推理就否定了这一假设。然后又提出速度增量正比于时间间隔的假设，因为无法用实验直接检验这一假设，因此他由这一假设推导出距离与时间的关系，再用实验来验证这个关系，最后把由斜面实验证实了的这一结论推广到自由下落的情形。伽利略实质上使用了把实验和理论和谐的结合起来的方法，从而有力地推进了人类科学认识活动的发展。伽利略充分认识到这个研究方法的价值。他在两门新科学中写道：“我们可以说，大门已经向新方法打开，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里会博得许多人的重视。”事实表明，在整个研究过程中，逻辑推理、抽象分析、数学演绎、科学假设、理想实验等理性思维方法起了决定性的作用。特别是理想实验的方法在伽利略手中成了科学创造的一个奇妙工具。他用“落体佯谬”的理想实验，从亚里士多德的“重物下落比轻物快”的原理道出了“重物的下落比轻物慢”的悖论。他用“对接斜面”的理想实验推翻了亚里士多德关于“外力是物体维持其运动的原因”的教条，提出了“惯性原理”。可以这样说，这些理性思维的方法是他从对运动现象的观察通向发现运动规律的途径。1.2 伽利略、牛顿的“对现象的一般观察提出假设运用数学和逻辑的手段得出推论通过物理的或思想的实验对推论进行检验对假设进行修正和推广等等”，这是物理学中最重要的方法牛顿定律及其力学体系的建立，是人类认识客观世界过程中的一次飞跃。美国科学史家Kuhn把它称为科学革命。如果日心说是第一次科学革命，牛顿力学就是第二次科学革命。科学革命是技术革命的先导，在牛顿的科学革命之后大约一百年，出现了18世纪末19世纪初的工业革命或产业革命。牛顿力学的方法主要也是“对现象的一般观察提出假设运用数学和逻辑的手段得出推论通过物理的或思想的实验对推论进行检验对假设进行修正和推广”，入万有引力定律的发现和验证的过程。牛顿的科学观是因果决定论的科学观。他认为天体运动的原因就是万有引力，行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动，直至最微小的细节，同样也解释了潮汐和地球的进动。在牛顿力学中只要知道指点在初始时刻的位移和速度，根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况，这是典型的因果描写。但是，在牛顿以前往往并不用因果论来解释自然现象，而用目的论来解释自然现象，即按照某种目的或者结果来解释运动现象，而不是用力的原因作解释。牛顿采用因果性的解释在物理学的发展中是重要的一步。爱因斯坦指出：“在牛顿以前还没有实际的科学成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿建立了物理因果性的完整体系，从而解释了物理世界的深刻特征。1.3 牛顿力学中的“理想模型方法”或理想化方法牛顿力学中的“理想模型方法”或理想化方法，如质点、刚体、抛体运动等，突出主要因素忽略次要因素，得到自然现象最本质的规律，在此基础上，再逐次考虑次要因素，得到更复杂的、更接近现实的理论。1.4 牛顿-麦克斯韦-爱因斯坦的数学方法将事物的性质用几个物理量来量化表示，将物理规律用少数几个数学方程来表示，这样更严谨、简洁和完备。牛顿在科学研究中坚持以经验为基础，他认为在没有从观察和实验中发现引力之原因时，决不杜撰假设。牛顿的“不杜撰假设”具有方法论的意义，这种方法论与他同时代的大多数人所遵循的方法迥然不同，牛顿的同时代人都追随笛卡尔探索自然现象的原因，构筑引力的机制。而牛顿则不然，他所关心的不是引力“为什么”会起作用，而是“如何”在起作用的。他的目的是寻求引力所遵从的规律，提出准确的数学描述，证明行星系统如何依赖于引力定律。但是，牛顿的认识路线也不同于受经验主义影响很深的胡克的认识路线。胡克强调从实验上去探求引力定律，忽视数学推理的必要性。牛顿所遵循的认识途径是从实验观察到的运动现象去探讨力的规律，然后用这些规律去解释自然现象。他的科学认识道路对以后物理学的发展产生了深刻的影响，许多物理学家都沿着牛顿的道路工作。1872年，安培在电动力学理论一书中，阐述了他处理电磁现象的方法：从观察事实出发，撇开力的性质的假说，推导出这些力的表达式，确立一般规律。最后他明确指出：“这就是牛顿所走过的道路，也是对物理学作出重大贡献的法兰西知识界近来普遍遵循的途径。”牛顿研究方法的一大特点是对错综复杂的自然现象敢于简化，善于简化，从而建立起理想的物理模型。他在他的原理第三篇一开始处就写出了4条“哲学中的推理法则”，高度概括了他的研究方法。法则1 寻求事务的原因，不得超出真实和足以解释其现象者。法则2 因此对于相同的自然现象，必须尽可能地寻求相同的原因。 法则3 物体的特性，若其程度既不能增加也不能减少，且在试验所及范围内为所有物体所共有，则应视为一切物体的普遍属性。法则4 在试验哲学中，我们必须将由现象所归纳出的命题视为完全正确的或基本正确的，而不管想象所可能得到的与之相反的种种假说，直到出现了其他的或可排除这些命题，或使之变得更加精确的现象之时。如狭义相对论的四个时空变换方程，麦克斯韦经典电磁理论的麦克斯韦方程。 以上的法则1可称为“简单性法则”，用牛顿的话说就是“自然喜欢简单性。”法则2和法则3可称为统一性法则。法则4则是我们经常提到的归纳方法和演绎方法。1.5 爱因斯坦的“物质世界统一性哲学思想方法”我们绝对可以这样说，爱因斯坦创立的相对论是上世纪乃至本世纪物理学最伟大的成就之一，更是物理科学史上举重轻重的伟大理论之一。狭义相对论指出了物理定律对一切惯性参考系是等价的，揭示了空间与时间的内在联系，质量和能量的内在联系。广义相对论进一步指出物理定律对一切参考系都是等价的，更深入地揭示了时空性质与运动的物质之间不可分割的联系。这个理论不仅由大量实验所证实，而且已经成为近代科学技术不可或缺的理论基础。它从根本上改变了传统的时间、空间观念，建立了崭新的时空观。法国物理学家朗之万（Langevin）认为，爱因斯坦对于科学的贡献深入到人类思想基本概念的结构中，他的伟大是可以同牛顿比拟的。德国物理学家普朗克（Planck）把爱因斯坦誉为20世纪的哥白尼。然而在这里，我们就不必再对他的伟大成就作一一的介绍了，避轻就重，我们谈一谈，他发现相对论这一伟大理论的所贯彻的思想路线和所坚持的科学方法。当然，能发现这么伟大的理论，与爱因斯坦从小阅读了大量科学著作并且善于思考和异于常人的坚持不懈的毅力是分不开的。例如，1895年，当他16岁在瑞士阿劳中学念书时，曾无意中想到一个追光的假想实验，他想：“如果我以速度c追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像一个在空间里震荡着而停滞不前的电磁场。可无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会又这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样一个观察者来判断，一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样一些定律进行。”这个思想实验提出了一个佯谬：一个以光速c追随光线运动的人应看见电磁驻波存在，而按照麦克斯韦方程没有这样的驻波存在。这个佯谬的提出体现了少年时代的爱因斯坦具有非凡的洞察力。他后来说，这个问题一直使他思考了许多年，经过10多年的沉思，他才透彻地解决了这一问题。爱因斯坦在青年时代所以能做出划时代的贡献，是与他的科学思想、科学方法分不开的。他一生都非常关注对科学发现中的认识论和方法论，他晚年在“自述”中写道：“像我这种类型的人，一生中主要的东西，正是在于他想的是什么和他怎么想的，而不在于他所做的或者所经受的是什么。”这说明科学思想和科学方法对于他取得的科学成就的巨大作用。爱因斯坦的科学思想和科学方法有以下基本特点。第一，他坚持了自然科学的唯物主义传统。表现在他的认识论可自然观上，他相信在我们之外有一个独立于我们的客观世界。爱因斯坦在他整个的科学探索过程中，始终坚持着这一信念，这是他的科学探索方法的一个前提。第二，爱因斯坦的科学思想体现了物质世界统一性的思想。自19世纪能量守恒定律发现后，许多物理学家都相信物质世界的统一性。爱因斯坦则把探索和理解自然界的这种统一性作为他的最高目的，并贯穿于整个探索过程中。正是因为他对自然界的统一性具有强烈的深挚的信念，所以他在1905年发表的几篇文章都具有同一的风格，在文章的起始都提出了不对称问题，即统一性遭到破坏的问题。第三，爱因斯坦具有追求真理的探索精神。他善于运用思维的洞察力，深入揭露食物的本质。他往往在别人习以为常的现象中看出了不平凡，在别人认为没有问题的地方看出了问题。第四，爱因斯坦主义发展创造性思维能力和独立思考能力。他曾说：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上或实验上的技能问题，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”爱因斯坦的逻辑思维能力和创造能力是惊人的。他本人对天才的解释是A=x+y+z，A表示成功，x表示艰苦劳动，y表示正确的方法，而z则表示少说空话。这个公式概括了爱因斯坦的科学生涯。爱因斯坦不仅在物理学上作出了接触的贡献，在科学思想和科学方法上给我们很多启迪。以上是几位伟大物理学家在各自研究生涯中，几乎毕其一生总结出来的一些在研究物理现象和学术时很受用的物理科学方法，不可谓不精湛，不可谓不深邃。当然，作为学生，在学习一门科学时若能灵活运用这些方法，也定能妙趣横生终身受益，其精妙之处还需我们在实践中去慢慢体会。此外此外，还有许许多多的物理学家在长期科学研究中总结出来的许多有用的其他物理科学方法。二、克思主义哲学的世界观方法论在学习物理这门科学时，还有一些能够使我们深刻理解物理科学、能够帮助我们有效地走向成功的一些物理科学方法。这些方法是随着人类科学的发展，根据马克思主义哲学的世界观方法论所派生出来的可以适用于任何一门科学的科学方法。下表列出了在学习和研究物理科学时很受用的方法体系。表中所提到的常规方法是指有一定的程式和规则的方法，如经典的观察方 法、实验方法、数学方法、逻辑思维方法、现代系统科学方法等。非常规研究方法是指没有固定的程式、规则的方法。这些方法的产生带有或然性，其进展“变幻莫测”，其思维特征与艺术有些相似，还常夹杂着一些戏曲性事件，如直觉、猜想、灵感、机遇等。另外，物理学的佯谬、美学、物理学家的失误等等也都有方法论的意义。2.1实验法实验法是利用相关的仪器仪表和设计的装置通过对现象的观测，数据的采集、处理、分析后得出正确结论的一种方法。它是研究、探讨、验证物理规律的根本方法，也是科学家研究物理的主要途径。正因如此，物理学是一门实验科学，也是区别于其它学科的特点所在。当然，其中也包括了观察法，观察实验应注意重复试验，去伪存真、去表抓本，去粗存精，数据观测正确，理论与实验的误差，理想与实际的差异，发现规律。 2.2 假设法假设法是解决物理问题的一种重要方法。用假设法解题，一般是依题意从某一假设入手，然后运用物理规律得出结果，再进行适当讨论，从而找出正确答案。这种解题科学严谨、合乎逻辑，而且可拓宽思路。在判断一些似是而非的物理现象，一般常用假设法。科学家在研究物理问题时也常采用假设法。我们同学在解题时往往不敢大胆假设，不懂的怎样去创设物理图景和物理量，也就觉的无从下手了。还有一些题中的物理量较少，虽然结果只与其有关，但在分析物理过程中又需要一些新的物理量介入时，也要进行相关量的假设，最后可以再消去。2.3极限法极限法是利用物理的某些临界条件来处理物理问题的一种方法，也叫临界（或边界）条件法。在一些物理的运动状态变化过程中，往往达到某个特定的状态（临界状态）时，有关的物理量将要发生突变，此状态叫临界状态，这时却有临界值。如果题目中出现如“最大、最小、至少、恰好、满足什么条件”等一类词语时，一般都有临界状态，可以利用临界条件值作为解题思路的起点，设法求出临界值，再作分析讨论得出结果。此方法是一种很有用的思考途径，关键在于抓住满足的临界条件，准确地分析物理过程。2.4 综合法（也叫程序法）综合法就是通过题设条件，按顺序对已知条件的物理各过程和各因素联系起来进行综合分析推出未知的思维方法。即从已知到未知的思维方法，是从整体到局部的一种思维过程。此法要求从读题开始，注意题中能划分多少个不同的过程或不同状态，然后对各个过程、状态的已知量进行分析，追踪寻求与未知量的关系，从而求得未知量。一般适用于存在多个物理过程的问题。2.5 分析法分析法是综合法的逆过程，它是从求未知到已知的推理思维方法。是从局部到整体的一种思维过程。其优点在于把复杂的物理过程分解为简单的要素分别进行分析，便于从中找出最主要的、最本质的、起决定性的物理要素和规律。具体是从待求量的分析入手，从相关的物理概念或公式中去追求到已知量的一种方法。要求这个量，必须知道那些量，逐步寻求直至全部找出相联系的物理过程和已知的关系，而后再从已知量写到未知量。综合法和分析法是最常用的解题思维方法。分析和综合又是相互联系的，没有分析也就没有综合。综合是以分析为基础，分析又是以综合为指导。2.6 模拟法模拟法是将题设中文字描述的物理过程、状态通过实物模型或图示模型形象地描绘出来以帮助思维分析的一种方法。它能直观的反映出物理过程，也有助于理解、分析、记忆物理过程。是一种化复杂为简单、化模糊为清晰的有效方法。尤其对一些空间问题、抽象情景，如运动的追踪、电磁场等问题的分析就显而易见了。注意的是在设置模型时必须相对的准确、形象，以免造成误解。2.7 类比法类比法是指通过对内容相似、或形式相似、或方法相似的一类不同问题的比较来区别它们异同点的方法。这种方法往往用于帮助理解，记忆、区别物理概念、规律、公式很有好处。通常用于同类不同问题的比较。如：电场和磁场，电路的串联和并联，动能和动量，动能定理和动量定理，单位物理量的物理量的形式（如单位体积的质量、单位面积的压力）等的比较。而比较法可以是不同类的比较，更有广义性。比如数学中曲线的斜率在物理图象里表示的物理意义是不同的，应学会比较，有比较才能有区别。2.8 控制变量法其方法是指在多个物理量可能参与变化影响中时，为确定各个物理量之间的关系，以控制某些物理量使其固定不变来研究另外两个量变化规律的一种方法。三、物理科学的臻美所创造的方法论自然界是美的，物理学也是美的。人们常常赞叹大自然中的绮丽风光为鬼斧神工，赞美文学艺术家们的诗琴书画是千古绝唱。同样，那些揭示自然奥秘的物理定律，那些开启世界文明的观测实验，也都是科学家们精美绝伦的心血结晶。实际上，许多著名的物理学家，本身就是数学家、哲学家、文学和艺术大师。听他们充满激情的精辟讲演，看他们文采横溢的论文著作，从哪方面来讲，都是一种极好的享受。确实，科学与艺术是相同的，它们从不同的侧面来认识世界，来描绘和探索自然的美，同时又把累累硕果回馈给世界和人类。3.1 科学想象科学想象是科学创造的重要组成部分，它不仅是心理学，而且是认识论及思维科学对象和内容。它是把形象溶化在概念里，科学地说明问题实质的艺术。科学想象在科学研究中能动地承担者对经验知识和现象的整理、组合与分解、纯化两方面的作用。它具有非逻辑性、贯穿性、直接性、经济性、激发性等特点。所谓科学想象，它首先是一种心理现象，就是通过大脑把记忆中保持下来的感性映像表象重新加工，改造以致创造的过程。但它同时又是一种认识现象，是认识科学、思维科学研究的内容和对象。想象的作用在于创造，也在于认识。说得明确一点，目的在于创造，而基础却在于认识。诚如钱学森教授指出的那样，形象思维是思维科学的三大基础学科之一。科学想象在科学创造活动中具有能动、调节性的功能，具体的步骤为：设计思想实验；建立想象模型；想象物的间接概括；提出假说。3.2直觉、灵感的美学因素直觉、灵感等思维方式也是科学认识中的非逻辑的动力侧面，它们在科学创造中 起着巨大的、积极地作用。爱因斯坦曾明确宣称，“我相信直觉和灵感”；波恩认为，“实验物理的全部伟大发现都是来源于一些人的直觉”；福克指出，“伟大的以及不仅是伟大的发现，都不是按逻辑的法则发现的，大都是凭创造性的直觉的来的”；泡利也说，理论物理学的新问题“对于科学家的直觉和机智有强烈的要求”。总的来说，直觉和灵感在提出科学假说，进行科学的判断和选择以及确立坚定的科信念等方面均具有举足轻重的作用。3.3 对称性方法对于对称性方法这样普遍而又精确的科学方法，杨振宁曾在诺贝尔物理学奖获奖演讲中作了高度的赞美：“当我们默默考虑一下这中间所包含的数学推理的优美性和它美丽的完整性，并以此对比它的复杂、深入的物理成果，我们就不能不深深感到对对称定律的力量的钦佩。”狄拉克则把它誉为“理论物理学新方法的精华”。海森堡则把对称性方法形象地比喻成“正如那些由宗教产生的花纹装饰表示宗教的精神一样”。人们可将对称性方法分为两个大的层次，即定性对称性方法与定量的数学对称性方法。其中定性对称性方法又可分为形象对称法和抽象对称法两种类型。所谓形象对称性，就是以一定的事实材料为基础，以对称性原理为指导，主要运用形象思维方式，构造出某种对称的模型、图像、符号、表格等形象对称体，并进而对客观事物作出相应的对称性预言。在近代和现代科学发展时期，形象对称法除了继续在建立直观形象模型和图像方面发挥重要作用外，它还常常作为一种举足轻重的美学方法而和逻辑推理、数学运算等配合运用。客观世界不仅有形象的对称性，而且有抽象的对称性，这种抽象的对称性，在科学研究中甚至更为普遍和重要。正如海森堡所指出的那样：“在无穷大或无穷小尺度内，试验资料不一定产生直观图像，我们必须习惯于摆脱直观图像来考虑问题。”“这些对称性已不能像在柏拉图的物体那样，简单地用图形或画像来说明。”与这种抽象的对称性相对应的科学研究方法称之为抽象的对称性。数学对称法又称为变换不变性方法。本世纪初，在发现物理定律的洛伦兹变换不变性之后，物理学家才逐渐认识到变换不变性概念和物理学对称概念的内在联系，以及变换不变性方法对于物理学的极端重要性。变换不变性方法一经进入物理学领域，便立即显示出它的巨大威力。因此，数学对称法是一个历史短暂但却显示出当代物理学方法论精髓的科学美学方法。3.4 逻辑方法所谓逻辑，就是人们在实践中总结和提炼出的关于思维的规律和规则的学说。而所谓的逻辑思维，指的是在思维过程中严格遵循思维的逻辑规律和规则，通过逐步推理得出结论的思维方式。这种思维方式的进行模式是阶梯式的，步骤明确，包含着一连串的严谨、连续的归纳和演绎过程。在逻辑思维进行过程中，主体能充分意识并控制整个过程，并能用语言将该过程清楚地表述出来。 3.5 逻辑与非逻辑交融互补法现代科学的发展推动着思维方式的进化，导致了一种新型的科学美学方法逻辑与非逻辑交融互补法的产生。这是一种综合性的思维方式，即科学审美思维，并以层面观念与兼容思想为其基本特征。人们对