物理学中的科学研究方法

柏海宵

1.常用的科学研究方法

科学方法是人们认识世界改造世界的强大武器，方法论告诉我们：任何科学都有掌握它的科学方法，物理学也不例外。物理学本身就是一门基础科学，它研究的是物质运动的基本规律。不同的运动形式具有不同的运动规律，因而就要用不同的研究方法处理。

1.1观察法

观察通常是人们考察处于自然状态下的事物，即在人们不对客观事物施加影响的情况下，对事物进行研究。在物理学的发展中，观察方法是很重要的。观察不应该是无目的的，而应该是有意识的，长久的，借助仪器和工具进行的。伽利略因观察教堂里的挂灯随风摆动的等时性而发明了钟摆；牛顿因为观察自由落体而发现了万有引力。

1.2实验法

实验是人们根据研究的目的，利用仪器、设备，人为地控制或模拟自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下研究自然规律。

在讲中学物理“液体压强”一节时，首先提出问题：“液体在其他各个方向上是否也有压强呢？”然后让学生依次做三个实验：（1）用钉子在白铁罐侧壁靠近底部同一个高度的不同地方打三、四个孔，灌满水后观察水会怎样从这些孔中喷出；（2）将其他小孔封住只留一个，再在罐的侧壁靠近顶部和中部的地方各打一个小孔（尽量使小孔的孔径相同），观察水怎样从这三个喷出，并且收集在同一时间内从每个孔喷出的水量；（3）将白铁罐砸成歪歪扭扭的形状，再观察水怎样从孔中喷出。实验后，让学生就这样两个问题得出结论：（1）液体在哪些方向上产生压强？（2）液体的深度对压强大小有什么影响？在科学研究中，以真实的实验为原型，通过合理的推理得出结论，从而深刻地揭示物理规律的本质。

1.3控制变量法

在研究物理问题时，某一物理量往往受几个不同物理量的影响，为了确定各个不同物理量之间的关系，就需要控制某些量，使其固定不变，改变某一个量，看所研究的物理量与该物理量之间的关系。

最典型的例子是《验证牛顿第二运动定律》的实验，我们研究的方法是：先保持物体的质量一定，研究加速度与力的关系；再保持力不变研究加速度与质量的关系，最后综合得出物体的加速度与它受到的合外力与物体质量之间的关系。

1.4理想化方法

为了便于研究，使问题简化，抓住主要因素，忽略次要因素，将物理过程在突出主要矛盾的纯粹情况下进行抽象和概括，来形成概念或得出规律，这就是研究物理学常用的理想化方法。

2.科学研究方法在物理教学中的应用

2.1科学研究方法在力学教学中的应用

力学中的基本观念，它的处理问题的方法贯穿于整个物理学的其他各部分，它偏重于物理概念、物理思想、物理学的研究方法。力学中引入科学研究方法是整个物理教学的序幕。通过物理概念、原理的讲授，提出一个科学方法，不严格推敲方法的定义，也不详细阐述方法的内涵，有具体的实例为佐证，学生很自然就会意识到。

在讲述牛顿第一定律时，通过伽利略思想实验提出理想化方法；在讲述刚体力学时，提出类比法，等等。惯性定律是中学生熟知的定律，但伴随着这一定律的发现，提出了一种方法——思想实验法。这一发现“是人类思想史上最伟大的发现之一，而且标志着物理学的真正开端。”它推翻了统治长达两千多年的亚里士多德的错误观念。它告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。

讲授时，应回顾这一段历史，要突出思想实验这个方法。尽管这种实验无论什么时候都不能实现，但它表明了人类理论思维对事物本质的深刻理解。随着物理规律的阐述引出某一科学研究方法，可使物理知识前后连贯，可以活跃学生联想和推测的思维能力。

2.2科学研究方法在热学教学中的应用

分子物理和热学，除了提出新的方法——统计方法与宏观方法以外，在讲授热力学基本定理的过程中进一步深入展开理想化方法的阐述。从力学到热学所遇到的理想模型有质点、刚体、单摆、弹簧振子、孤立系统、理想气体、平衡态、卡诺热机等，理想过程有自由落体、抛体、完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞、等温、等压、等容、绝热等平衡过程。这时学生已有了较多的感性知识，因此，可抓住适当时机归纳理想化方法在科学发展中的作用。通过阐述卡诺循环对蒸汽机技术改进的指导及在热力学第二定律发展过程中的作用，学生能领略到人类理论思维的伟大之处。

2.3科学研究方法在电磁学教学中的应用

电磁学部分所涉及的主要是类比法，电学与磁学的相似说明电与磁之间的一种内在联系，这种相似反映在公式和和定律上，在教学中应紧紧抓住这种相似性，以类推的方法将静电部分的概念推广到磁学部分，使学生在学习新知识的同时回顾了旧知识。

讲到电磁感应部分，法拉第正是从电与磁的对称性出发，由电能生磁大胆猜测磁能生电，终于发现了电磁感应定律。继法拉第之后麦克斯韦将该定律与安培环路定律对比时，发现了其中的不对称性。由变化磁场能产生电场推断变化电场能产生磁场，提出了位移电流假说，建立了麦克斯韦积分方程组，从理论上预言了电磁波的存在，开创了无线电的新时代，这是类比推理在物理学史上完成的一项伟业。除了电与磁的类比外，力与电类比的例子也很多。如库仑定律与牛顿万有引力定律的相似；静电力的保守性与重力保守性的相似，等等。将这些例子穿插在原理和概念的讲授中，活跃了学生的联想推测思维，激发起对未知的探索精神，同时加深了对概念的理解。

3.结语

随着自然科学研究的不断发展，自然科学研究方法也在不断发展，本文所论述的方法只是自然科学研究方法中最基本、最常见的方法。从本文所列举的科学史料中可以清楚看出科学研究方法对自然科学研究、发现新规律、建立新理论起到了巨大作用，大大促进了物理学的发展，可以说没有科学研究方法，物理学就不可能取得今天辉煌的成就，物理学的发展也到不了今天的水平。通过回顾历史，借鉴前辈科学家的研究经验和正确的科学研究方法，对于认识科学发展的规律，从历史回顾探索未来，对物理学的发展及科学事业的发展具有深远的指导意义。

陕西省“十二五”规划立项课题（2012XKT-ZXWL133）。