物理學中的科學研究方法

柏海宵

1.常用的科學研究方法

科學方法是人們認識世界改造世界的強大武器，方法論告訴我們：任何科學都有掌握它的科學方法，物理學也不例外。物理學本身就是一門基礎科學，它研究的是物質運動的基本規律。不同的運動形式具有不同的運動規律，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，對事物進行研究。在物理學的發展中，觀察方法是很重要的。觀察不應該是無目的的，而應該是有意識的，長久的，借助儀器和工具進行的。伽利略因觀察教堂里的掛燈隨風擺動的等時性而發明了鐘擺；牛頓因為觀察自由落體而發現了萬有引力。

1.2實驗法

實驗是人們根據研究的目的，利用儀器、設備，人為地控制或模擬自然現象，排除干擾，突出主要因素，在有利的條件下研究自然規律。

在講中學物理“液體壓強”一節時，首先提出問題：“液體在其他各個方向上是否也有壓強呢？”然后讓學生依次做三個實驗：（1）用釘子在白鐵罐側壁靠近底部同一個高度的不同地方打三、四個孔，灌滿水后觀察水會怎樣從這些孔中噴出；（2）將其他小孔封住只留一個，再在罐的側壁靠近頂部和中部的地方各打一個小孔（盡量使小孔的孔徑相同），觀察水怎樣從這三個噴出，并且收集在同一時間內從每個孔噴出的水量；（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。實驗后，讓學生就這樣兩個問題得出結論：（1）液體在哪些方向上產生壓強？（2）液體的深度對壓強大小有什么影響？在科學研究中，以真實的實驗為原型，通過合理的推理得出結論，從而深刻地揭示物理規律的本質。

1.3控制變量法

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

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

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行抽象和概括，來形成概念或得出規律，這就是研究物理學常用的理想化方法。

2.科學研究方法在物理教學中的應用

2.1科學研究方法在力學教學中的應用

力學中的基本觀念，它的處理問題的方法貫穿于整個物理學的其他各部分，它偏重于物理概念、物理思想、物理學的研究方法。力學中引入科學研究方法是整個物理教學的序幕。通過物理概念、原理的講授，提出一個科學方法，不嚴格推敲方法的定義，也不詳細闡述方法的內涵，有具體的實例為佐證，學生很自然就會意識到。

在講述牛頓第一定律時，通過伽利略思想實驗提出理想化方法；在講述剛體力學時，提出類比法，等等。慣性定律是中學生熟知的定律，但伴隨著這一定律的發現，提出了一種方法——思想實驗法。這一發現“是人類思想史上最偉大的發現之一，而且標志著物理學的真正開端。”它推翻了統治長達兩千多年的亞里士多德的錯誤觀念。它告訴我們，根據直接觀察所得出的直覺的結論不是常常可靠的，因為它們有時會引到錯誤的線索上去。

講授時，應回顧這一段歷史，要突出思想實驗這個方法。盡管這種實驗無論什么時候都不能實現，但它表明了人類理論思維對事物本質的深刻理解。隨著物理規律的闡述引出某一科學研究方法，可使物理知識前后連貫，可以活躍學生聯想和推測的思維能力。

2.2科學研究方法在熱學教學中的應用

分子物理和熱學，除了提出新的方法——統計方法與宏觀方法以外，在講授熱力學基本定理的過程中進一步深入展開理想化方法的闡述。從力學到熱學所遇到的理想模型有質點、剛體、單擺、彈簧振子、孤立系統、理想氣體、平衡態、卡諾熱機等，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。這時學生已有了較多的感性知識，因此，可抓住適當時機歸納理想化方法在科學發展中的作用。通過闡述卡諾循環對蒸汽機技術改進的指導及在熱力學第二定律發展過程中的作用，學生能領略到人類理論思維的偉大之處。

2.3科學研究方法在電磁學教學中的應用

電磁學部分所涉及的主要是類比法，電學與磁學的相似說明電與磁之間的一種內在聯系，這種相似反映在公式和和定律上，在教學中應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部分，使學生在學習新知識的同時回顧了舊知識。

講到電磁感應部分，法拉第正是從電與磁的對稱性出發，由電能生磁大膽猜測磁能生電，終于發現了電磁感應定律。繼法拉第之后麥克斯韋將該定律與安培環路定律對比時，發現了其中的不對稱性。由變化磁場能產生電場推斷變化電場能產生磁場，提出了位移電流假說，建立了麥克斯韋積分方程組，從理論上預言了電磁波的存在，開創了無線電的新時代，這是類比推理在物理學史上完成的一項偉業。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，活躍了學生的聯想推測思維，激發起對未知的探索精神，同時加深了對概念的理解。

3.結語

隨著自然科學研究的不斷發展，自然科學研究方法也在不斷發展，本文所論述的方法只是自然科學研究方法中最基本、最常見的方法。從本文所列舉的科學史料中可以清楚看出科學研究方法對自然科學研究、發現新規律、建立新理論起到了巨大作用，大大促進了物理學的發展，可以說沒有科學研究方法，物理學就不可能取得今天輝煌的成就，物理學的發展也到不了今天的水平。通過回顧歷史，借鑒前輩科學家的研究經驗和正確的科學研究方法，對于認識科學發展的規律，從歷史回顧探索未來，對物理學的發展及科學事業的發展具有深遠的指導意義。

陜西省“十二五”規劃立項課題（2012XKT-ZXWL133）。