物理學(xué)中的科學(xué)研究方法

柏海宵

1.常用的科學(xué)研究方法

科學(xué)方法是人們認(rèn)識(shí)世界改造世界的強(qiáng)大武器，方法論告訴我們：任何科學(xué)都有掌握它的科學(xué)方法，物理學(xué)也不例外。物理學(xué)本身就是一門基礎(chǔ)科學(xué)，它研究的是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。不同的運(yùn)動(dòng)形式具有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因而就要用不同的研究方法處理。

1.1觀察法

觀察通常是人們考察處于自然狀態(tài)下的事物，即在人們不對客觀事物施加影響的情況下，對事物進(jìn)行研究。在物理學(xué)的發(fā)展中，觀察方法是很重要的。觀察不應(yīng)該是無目的的，而應(yīng)該是有意識(shí)的，長久的，借助儀器和工具進(jìn)行的。伽利略因觀察教堂里的掛燈隨風(fēng)擺動(dòng)的等時(shí)性而發(fā)明了鐘擺；牛頓因?yàn)橛^察自由落體而發(fā)現(xiàn)了萬有引力。

1.2實(shí)驗(yàn)法

實(shí)驗(yàn)是人們根據(jù)研究的目的，利用儀器、設(shè)備，人為地控制或模擬自然現(xiàn)象，排除干擾，突出主要因素，在有利的條件下研究自然規(guī)律。

在講中學(xué)物理“液體壓強(qiáng)”一節(jié)時(shí)，首先提出問題：“液體在其他各個(gè)方向上是否也有壓強(qiáng)呢？”然后讓學(xué)生依次做三個(gè)實(shí)驗(yàn)：（1）用釘子在白鐵罐側(cè)壁靠近底部同一個(gè)高度的不同地方打三、四個(gè)孔，灌滿水后觀察水會(huì)怎樣從這些孔中噴出；（2）將其他小孔封住只留一個(gè)，再在罐的側(cè)壁靠近頂部和中部的地方各打一個(gè)小孔（盡量使小孔的孔徑相同），觀察水怎樣從這三個(gè)噴出，并且收集在同一時(shí)間內(nèi)從每個(gè)孔噴出的水量；（3）將白鐵罐砸成歪歪扭扭的形狀，再觀察水怎樣從孔中噴出。實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生就這樣兩個(gè)問題得出結(jié)論：（1）液體在哪些方向上產(chǎn)生壓強(qiáng)？（2）液體的深度對壓強(qiáng)大小有什么影響？在科學(xué)研究中，以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)為原型，通過合理的推理得出結(jié)論，從而深刻地揭示物理規(guī)律的本質(zhì)。

1.3控制變量法

在研究物理問題時(shí)，某一物理量往往受幾個(gè)不同物理量的影響，為了確定各個(gè)不同物理量之間的關(guān)系，就需要控制某些量，使其固定不變，改變某一個(gè)量，看所研究的物理量與該物理量之間的關(guān)系。

最典型的例子是《驗(yàn)證牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律》的實(shí)驗(yàn)，我們研究的方法是：先保持物體的質(zhì)量一定，研究加速度與力的關(guān)系；再保持力不變研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，最后綜合得出物體的加速度與它受到的合外力與物體質(zhì)量之間的關(guān)系。

1.4理想化方法

為了便于研究，使問題簡化，抓住主要因素，忽略次要因素，將物理過程在突出主要矛盾的純粹情況下進(jìn)行抽象和概括，來形成概念或得出規(guī)律，這就是研究物理學(xué)常用的理想化方法。

2.科學(xué)研究方法在物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1科學(xué)研究方法在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

力學(xué)中的基本觀念，它的處理問題的方法貫穿于整個(gè)物理學(xué)的其他各部分，它偏重于物理概念、物理思想、物理學(xué)的研究方法。力學(xué)中引入科學(xué)研究方法是整個(gè)物理教學(xué)的序幕。通過物理概念、原理的講授，提出一個(gè)科學(xué)方法，不嚴(yán)格推敲方法的定義，也不詳細(xì)闡述方法的內(nèi)涵，有具體的實(shí)例為佐證，學(xué)生很自然就會(huì)意識(shí)到。

在講述牛頓第一定律時(shí)，通過伽利略思想實(shí)驗(yàn)提出理想化方法；在講述剛體力學(xué)時(shí)，提出類比法，等等。慣性定律是中學(xué)生熟知的定律，但伴隨著這一定律的發(fā)現(xiàn)，提出了一種方法——思想實(shí)驗(yàn)法。這一發(fā)現(xiàn)“是人類思想史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。”它推翻了統(tǒng)治長達(dá)兩千多年的亞里士多德的錯(cuò)誤觀念。它告訴我們，根據(jù)直接觀察所得出的直覺的結(jié)論不是常常可靠的，因?yàn)樗鼈冇袝r(shí)會(huì)引到錯(cuò)誤的線索上去。

講授時(shí)，應(yīng)回顧這一段歷史，要突出思想實(shí)驗(yàn)這個(gè)方法。盡管這種實(shí)驗(yàn)無論什么時(shí)候都不能實(shí)現(xiàn)，但它表明了人類理論思維對事物本質(zhì)的深刻理解。隨著物理規(guī)律的闡述引出某一科學(xué)研究方法，可使物理知識(shí)前后連貫，可以活躍學(xué)生聯(lián)想和推測的思維能力。

2.2科學(xué)研究方法在熱學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

分子物理和熱學(xué)，除了提出新的方法——統(tǒng)計(jì)方法與宏觀方法以外，在講授熱力學(xué)基本定理的過程中進(jìn)一步深入展開理想化方法的闡述。從力學(xué)到熱學(xué)所遇到的理想模型有質(zhì)點(diǎn)、剛體、單擺、彈簧振子、孤立系統(tǒng)、理想氣體、平衡態(tài)、卡諾熱機(jī)等，理想過程有自由落體、拋體、完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞、等溫、等壓、等容、絕熱等平衡過程。這時(shí)學(xué)生已有了較多的感性知識(shí)，因此，可抓住適當(dāng)時(shí)機(jī)歸納理想化方法在科學(xué)發(fā)展中的作用。通過闡述卡諾循環(huán)對蒸汽機(jī)技術(shù)改進(jìn)的指導(dǎo)及在熱力學(xué)第二定律發(fā)展過程中的作用，學(xué)生能領(lǐng)略到人類理論思維的偉大之處。

2.3科學(xué)研究方法在電磁學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

電磁學(xué)部分所涉及的主要是類比法，電學(xué)與磁學(xué)的相似說明電與磁之間的一種內(nèi)在聯(lián)系，這種相似反映在公式和和定律上，在教學(xué)中應(yīng)緊緊抓住這種相似性，以類推的方法將靜電部分的概念推廣到磁學(xué)部分，使學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)回顧了舊知識(shí)。

講到電磁感應(yīng)部分，法拉第正是從電與磁的對稱性出發(fā)，由電能生磁大膽猜測磁能生電，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。繼法拉第之后麥克斯韋將該定律與安培環(huán)路定律對比時(shí)，發(fā)現(xiàn)了其中的不對稱性。由變化磁場能產(chǎn)生電場推斷變化電場能產(chǎn)生磁場，提出了位移電流假說，建立了麥克斯韋積分方程組，從理論上預(yù)言了電磁波的存在，開創(chuàng)了無線電的新時(shí)代，這是類比推理在物理學(xué)史上完成的一項(xiàng)偉業(yè)。除了電與磁的類比外，力與電類比的例子也很多。如庫侖定律與牛頓萬有引力定律的相似；靜電力的保守性與重力保守性的相似，等等。將這些例子穿插在原理和概念的講授中，活躍了學(xué)生的聯(lián)想推測思維，激發(fā)起對未知的探索精神，同時(shí)加深了對概念的理解。

3.結(jié)語

隨著自然科學(xué)研究的不斷發(fā)展，自然科學(xué)研究方法也在不斷發(fā)展，本文所論述的方法只是自然科學(xué)研究方法中最基本、最常見的方法。從本文所列舉的科學(xué)史料中可以清楚看出科學(xué)研究方法對自然科學(xué)研究、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律、建立新理論起到了巨大作用，大大促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展，可以說沒有科學(xué)研究方法，物理學(xué)就不可能取得今天輝煌的成就，物理學(xué)的發(fā)展也到不了今天的水平。通過回顧歷史，借鑒前輩科學(xué)家的研究經(jīng)驗(yàn)和正確的科學(xué)研究方法，對于認(rèn)識(shí)科學(xué)發(fā)展的規(guī)律，從歷史回顧探索未來，對物理學(xué)的發(fā)展及科學(xué)事業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。

陜西省“十二五”規(guī)劃立項(xiàng)課題（2012XKT-ZXWL133）。