趣說“觀察”（上）

□文/張軍

不同版本的初二物理教材，引言中一般都會說“觀察和實驗是研究物理的最基本方法”。事實上，在真實的物理學習和探究中，觀察也是貫穿始終的。然而，到底什么是觀察呢？課本中并沒有專門論述。今天，張老師就和大家聊聊“觀察”。

“觀察”和“看”有區(qū)別

《新華字典》對“觀察”的解釋是“認真仔細地察看”，這至少說明了在仔細程度上是有差別的（圖1）。

圖1 供圖/視覺中國

圖2 是《說文解字》中“察”的寫法。中間的“祭”表示讀音，在上古音系中，“察”與“祭”同音。“宀”讀作“mián”，本意是房屋，表示祭祀的場所。“祭”的上半部分是右手拿著肉，下半部分 （示）是古代神主牌位的象形，表示手持祭肉進行祭祀的意思。所以，“察”既是形聲字，也是會意字，表示在廟堂上仔細審察祭品。先秦時期，人們祭天、祭神、祭祖，表達懷念、崇敬，或者祈求保佑，這些都是政治生活中的頭等大事，一點不能出錯。祭祀前，會安排專人對祭品進行嚴格審查，這就不是普通的“看看”了。今天，我們說的視察、考察、明察秋毫、察言觀色、明察暗訪等，都沿襲了“仔細查看、辨析”的義項。

圖2

在自然研究和科學探究中，“觀察”是指一種綜合運用各種感官的知覺活動，而不僅僅指依靠視覺。觀察事物的能力就是觀察力，它是智力的重要組成部分。

“觀察”需要調動各種感官

你認為圖3 中的容器的作用是什么？有人認為是搗大蒜用的，因為和蒜臼長得很像；有人認為是研磨中藥材的，因為在中藥店看見過類似的器皿；有人認為是出家人用的缽，因為在電視劇《西游記》中看到過相關物品。每個人都是通過眼睛“看”，結合自己的生活經(jīng)驗來猜測的，這還不是觀察。觀察當然需要看。看容器成色，是老物件，估計使用過很長時間；容器是金屬材質，造型圓潤古樸；底部、側壁有花紋和圖案，還有文字。放在鼻子邊嗅一嗅，沒有大蒜的氣味，也沒有中藥的氣味。用手摸一摸，質感細膩；還可以掂一掂，比較沉，估計是銅器；還可以敲一敲，有清脆、悅耳的聲音發(fā)出來。視覺、嗅覺、聽覺、觸覺都調動起來了，綜合各種信息，再檢索一下資料，發(fā)現(xiàn)這是一個音缽，作用類似轉經(jīng)筒，合金制作。這就是觀察了——對各種感官收集到的信息進行加工，獲得對音缽的整體認識。

圖3

除了細致、全面、連續(xù)，觀察還要求明確目的、對象、計劃、步驟、現(xiàn)象之間的邏輯關系等。比如觀察水的沸騰，將水從室溫加熱到沸騰，整個過程中變化的量非常多，體積、質量、密度、內能，等等。課本上要求重點觀察水溫隨時間的變化、聲音隨時間的變化、燒杯內氣泡隨時間的變化，那么事先就要準備好數(shù)據(jù)記錄的表格，清楚測量工具的使用，明確小組成員之間的分工。注意，“數(shù)據(jù)”是指實驗過程中發(fā)生的所有現(xiàn)象，而不單單指“數(shù)字”。

“觀察”過程中會調動各種體驗

伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時性的故事，大家應該都知道。教堂屋頂擺動的吊燈，引起了17 歲的伽利略的注意。他以脈搏跳動的次數(shù)為標準來測量，發(fā)現(xiàn)擺幅變化時，擺動一次的時間卻差不多。其他物體的擺動是不是和吊燈的擺動一樣有規(guī)律可循呢？擺動的周期與擺的輕重有關系嗎？經(jīng)過一系列的實驗，他發(fā)現(xiàn)物體擺動周期只跟擺繩的長度有關（擺角小于5°），這就是擺的等時性。后來，荷蘭科學家惠更斯據(jù)此發(fā)明了擺鐘，將時間的誤差減小到秒級。擺鐘后來又經(jīng)過了各種改進，至今還在沿用。

1827 年，植物學家布朗在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，懸浮在水中的花粉顆粒會不停地運動，而且沒有規(guī)律，永不停止。很長一段時間內，人們都不明白其中的道理，直到幾十年后，人們才知道，水分子一直在做永不停息的無規(guī)則運動，花粉顆粒的運動是水分子的碰撞產(chǎn)生的。

我們在家就可以重溫他們當年的實驗，體驗他們當時新奇、興奮、困惑、探索的心路歷程。單擺可以從網(wǎng)上買到，帶孔的小鋼球和一段棉線，非常便宜。也可以在家制作，如果找不到帶孔的小球，可以用橡皮泥搓一個包住線頭的小球，或者用膠帶將線頭粘在玻璃球上替代。

實驗前明確，擺長控制在1 米左右，擺角控制在5°之內（圖4）。手機上就有秒表功能，可以用來精確計時。小球的擺動周而復始，從左側最高點A →最低點O →右側最高點B →最低點O →左側最高點A，這是一個周期；或者最低點O →右側最高點B →最低點O →左側最高點A →最低點O，也是一個周期。現(xiàn)在，我們來思考幾個問題：1.計時起點從A 點、B 點開始，還是從O 點開始呢？實際動手操作一下，體驗哪一種方案更容易判斷小球的位置。2.測量一個周期準確，還是測量20個周期或50 個周期取平均值更準確？3.如果想探究周期與小球質量是否有關系，應該如何設計實驗？4.如果想探究周期與擺長是否有關系，應該如何設計實驗？5.為什么要讓擺長控制在1 米左右、擺角控制在5°之內？你可以約幾名同學一起做實驗，然后充分討論，聽聽彼此的看法。

圖4

當然，大家也會觀察到，擺幅越來越小，為什么呢？擺球被拉離平衡位置后放手，如果擺線所在的平面不是豎直的，就會變成圓錐擺，這里面可供研究的內容也很多。

沒有顯微鏡也可以做“布朗運動”的實驗。取一些花粉（當然也可以用其他物品替代，比如胡椒粉）和水混合，然后用注射器吸取少許，將注射器針孔朝下豎直放置，推動活塞，讓注射器孔懸掛一滴水珠。用一束激光射向水珠（網(wǎng)上很容易購買到激光筆，價格不貴，但是激光筆的功率如果超過1 毫瓦，請大家戴上墨鏡），在墻壁或白紙上就會出現(xiàn)光斑，幫助你看到那些小顆粒的運動（圖5）。

圖5

觀察對于科學家從事研究至關重要。托勒密的“地心說”在今天看來顯然不正確，但是它確實是以觀察和計算作為基礎的，在當時是了不起的進步。不過，數(shù)據(jù)的不足、理論的不足、經(jīng)驗的不足都會限制研究者的視野。17 世紀前后，一大批哲學家開始重視觀察和實驗，達·芬奇、哥白尼、培根、開普勒、伽利略、帕斯卡、笛卡爾、牛頓、波義耳、洛克、歐拉、萊布尼茨、拉瓦錫、奧斯特……正是他們讓科學從哲學中分離了出來。讀一讀他們的傳記，有助于我們更深刻地理解科學的誕生。

“觀察”往往需要借助工具

人的感官可以獲取多種信息。眼睛通過光獲取信息，比如明暗、形狀、色彩；耳朵通過聲波獲取信息，比如音調、響度、音色、樂音或噪聲；鼻子和舌頭通過感受化學刺激獲取信息，比如各種氣味、味道；手通過觸摸獲取信息，比如潮濕還是干燥、堅硬還是柔軟、光滑還是粗糙、溫熱還是寒涼、壓力的大與小。不僅如此，還有各種感官共同作用產(chǎn)生的通感。

但是，感官都有閾值（感知范圍），超出這個閾值，對象的某些屬性就不能被感官直接觀察了。比如，人耳只能聽到20～20 000 赫茲頻率范圍內、具有一定強度的聲波，在這個頻率范圍之外，或者雖在頻率范圍內但振幅太小的聲波，人的耳朵就不能感知到。再比如，人的眼睛只能接收到380～760 納米波長范圍內的電磁波，在這范圍之外的微波、紅外線、紫外線、X 射線、γ 射線等，就成為眼睛不能直接觀察的東西。

感官的精確性也是有限的。我們說天氣真熱，但是熱到什么程度呢？兩杯水冷熱不同，但是相差多少呢？我們說天氣真悶，但是空氣中的含水量是多少呢？我們說光刺眼，但是光照強度到底有多大呢？感官都無法直接給出答案。

感覺的速度也有局限性。人眼難以看清高速運動的物體，比如蜜蜂飛行時扇動的翅膀；也難以觀察運動變化極其緩慢的現(xiàn)象，比如固體間的擴散；也難以觀察時間極短的現(xiàn)象，比如基本粒子的壽命（甚至小于0.000 01 秒）。還有，感官獲得的信息有時是錯誤的，比如視錯覺，圖中的紅線和綠線哪個更長（圖6）？

圖6

為了克服感官的生理局限，我們需要借助中介物，也就是測量工具或儀器。溫度計、刻度尺、顯微鏡、電流表、照相機等，它們都可以被看作是人的感官的拓展與延長。這樣看來，觀察是反映人、被觀察對象和工具三者之間互動關系的認知過程，與測量緊密相連，與思維方法密切相關。從某種角度看，科學的發(fā)展史也是測量工具的進步史。