物理學中的比較方法例析

一、物理量大小的得出

比較方法廣泛地存在于物理學中，物理學中的所有物理量的大小都是通過與選定標準的比較得出的。國際基本物理量有時間、長度、質量、電流強度、熱力學溫度、物質的量和發光強度。下面我們就一一列舉比較方法在國際基本物理量大小的得出過程中的作用。

１．時間：時間在國際單位制中的單位為秒，記作ｓ。最早人們是利用地球自轉運動來計量時間的，其單位是平太陽日。１９世紀末將一個平太陽日的１／８６４００作為一秒。１９６０年國際計量大會決定采用以地球公轉運動為基礎的歷書時秒作為時間單位。１９６７年國際計量大會又修改為原子秒的定義，取代了歷書時秒，其規定是“秒是銫－１３３原子基態的兩個超精細能級之間躍遷相對應輻射的９１９２６１３７７０個周期所持續的時間”。

這便是某物體“質量的操作型定義”，它把定義質量單位后經實驗測出的ｍ叫做物體的質量。

５．熱力學溫度：國際單位制中熱力學溫度的單位是開爾文，記作Ｋ。其定義為：“熱力學溫度單位開爾文是水的三相點熱力學溫度的１／２７３．１６”（第１３屆國際計量大會，１９６７年，決議４）。處于熱平衡狀態的不同物體具有一個相同的宏觀性質即溫度，任何溫度不同的物體都具有不同的熱效應，物體溫度的高低是通過熱效應的比較得出的。例如：用定容理想氣體溫度計測溫度時，在水的三相點溫度下測溫泡內理想氣體的壓強為Ｐ，在一待測溫度下測溫泡內理想氣體的壓強為Ｐ，則待測溫度Ｔ＝２７３．１６Ｋ，顯然這種確定溫度的方法是通過比較測溫泡內的壓強來實現的。

６．物質的量：國際單位制中物質的量的單位是摩爾，記作ｍｏｌ。其定義為：“（１）摩爾是一系統的物質的量，該系統中包含的基本單元數與０．０１２ｋｇ碳－１２原子的原子數目相等。（２）在使用摩爾時，基本單元應予以指明，可以是原子、分子、離子、電子、及其他粒子，或是這些粒子的特定組合”（國際計量委員會１９６９年提出，１９７１年第十四屆國際計量大會通過，決議３）。根據上述定義，物質的量的比較標準就是摩爾。物質的量是用某系統的基本單元數與一摩爾的單元數量的比值來衡量其大小的。

７．發光強度：國際單位制中發光強度的單位是坎德拉，記作ｃｄ。其定義為：“坎德拉是一光源在給定方向上的發光強度，該光源發出頻率為５．４０×１Ｈｚ的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為（１６８３）Ｗｓｒ（ｓｒ為球面度）”（第十六屆國際計量大會，１９７９年決議３）。發光強度的比較也選擇了一個標準，這個標準就是坎德拉。某一光源在某一方向上的發光強度與標準的比值體現了這一發光強度的大小，這里也用到了比較方法。

上述是７個國際基本物理量大小的得出過程，都用到了比較方法，其他物理量都是通過基本物理量導出的，因此可以說所有的物理量的大小都是通過比較得出的。

二、物理規律中的比較方法

其實不僅在物理量的得出方面用到了比較方法，物理概念的建立、物理性質的確定以及物理規律的應用中也都用到了比較方法，物理學中比較方法處處皆有。麥克斯韋關于比較曾經有這樣一段話：為了避開深奧的物理理論及繁瑣的數學計算而得到物理思想，我們必須熟悉物理比較的存在。本文就以下面三例來領略比較方法及比較思想。

１．庫侖定律中所體現的比較思想：１８世紀中葉，科學界已經普遍承認帶電體之間存在著引力或者斥力，并對電場力所遵循的規律作了種種猜測。牛頓在《自然哲學的數學原理》中，利用萬有引力與距離平方成反比的規律，證明了在均勻的物質球殼內任一點不受球殼引力作用。而物理學家卡文迪許則通過實驗驗證了均勻帶電球殼內任一點所受電場力為零。在比較思想的指導下卡文迪許于１７７３年提出了以下假設：電的吸引與萬有引力服從同一規律，即與距離平方成反比。庫侖借鑒此假設經過一系列嚴密實驗得出了著名的庫侖定律。

３．經典理論與量子理論適用性判別中的比較方法：普朗克常量是表示微觀粒子量子特征的基本量，它與角動量有相同的量綱，我們稱具有與角動量相同量綱ＭＬ的物理量為作用量。對于宏觀系統而言，任何具有作用量量綱的宏觀物理量與普朗克常量相比，數值非常之大。宏觀的作用量與普朗克常量進行比較，就是求該物理量與普朗克常量的比值，這是一個很大的數字，容易看出這個比值的倒數可視為零，我們說普朗克常量與該物理量無法比擬。經過上述的比較我們給出區分經典理論和量子理論適用的條件的粗略判據：“當普朗克常量與系統的具有作用量量綱的物理量無法比擬時，此系統是一個經典系統，用經典理論處理；當普朗克常量與系統的具有作用量量綱的物理量可以比擬時，該系統是一個量子系統，用量子理論處理”。我們看到比較意識對于判別經典理論和量子理論是否適用來說也必不可少。

以上例子充分說明了，比較思想普遍存在于物理學的各個方面，物理學中的物理量大小的得出，物理理論的發展，都是以比較為前提、為動力的。我們分析物理學中的基本方法比較方法就是為了給學習者提供一把學習物理學的關鍵鑰匙，使其少走彎路，取得事半功倍的效果。但必須指出，通過比較方法所做出的推測或結論最終必須通過實驗以及在以后的實踐中得到檢驗，因為有時簡單的比較方法也會導致錯誤的結果。

馬克思告訴我們世界具有統一性，那么比較思想和方法自然也廣泛存在于社會科學領域。領悟比較思想、掌握比較方法的意義遠遠超出了物理學的范疇，將使我們受益終身。

參考文獻

［１］ 鐘錫華，鐘岳明．大學物理通用教程力學．北京：北京大學出版社，２０００．

［２］ 胡盤新．大學生物理手冊．上海：上海交通大學出版社，１９９９．

［３］ 漆安慎，杜嬋英．普通物理學教程力學．北京：高等教育出版社，１９９７．

［４］ 趙凱華，陳熙謀．電磁學上冊．北京：高等教育出版社，１９８５．

［５］ 姚啟均．光學教程．北京：高等教育出版社，１９８１．

［６］ 王土平．科學的爭論．北京：北京大學出版社，１９９８．

［７］ 李椿，章立源，錢尚武．熱學．北京：高等教育出版社，１９７９．

（責任編輯孫曉雯）