刍议物理学史中穆勒五法的应用

李燕+唐琳

摘 要：穆勒五法是进行科学研究的一种重要方法，在物理学史中，科学家们相继应用了契合法、差异法、共变法、契合差异法和剩余法等归纳出了许多经验公式和定律。

关键词：契合法；差异法；共变法；契合差异法；剩余法

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）10-0062-2

自然科学中许多经验公式或定律，都是利用穆勒五法归纳出来的。笔者在文中简单介绍了穆勒五法，并探讨它在物理学史中的应用。同时在物理教学中介绍穆勒五法，有利于培养学生的创造性思维能力和学习方法，形成科学的思维模式。

1 契合法

契合法又称求同法，是通过考察被研究现象出现的若干场合，如果这些不同场合里只有一个共同的条件，则这个共同条件与被研究的现象之间有因果联系。

超导电性的发现就是应用契合法的一个例证，在1911年到1913年期间，卡末林·昂纳斯和他的助手分别用水银、铅、锡等做实验，发现当这些材料在达到一定低温时，它们的电阻值就突然消失了。他在1913年宣称，“这些材料在低温下进入了一种新的状态，这种状态具有特殊的电学性质”，就这样，卡末林·昂纳斯发现了超导电性。

1827年，英国植物学家布朗也是应用契合法发现了布朗运动。布朗在研究植物的授粉过程时无意发现悬浮在水中的花粉在不停地运动着后，他又在标本箱中找出已保存了上百年的植物标本、小块玻璃和各种不含任何有机物的矿石，以及从一尊希腊女神花岗岩石像上取下的碎石，研磨成粉，进行观察，得出相同的实验结果：这些没有生命的微粒（不管什么品种）只要足够小，它们都在不停地做无规则运动。后来人们为了纪念布朗把这种运动叫做布朗运动。

2 差异法

差异法又称求异法，是通过考察某现象出现和不出现的两个场合，若这两个场合有且仅有某一个条件不同，则这个不同的条件和被研究现象之间有因果联系。

法国的帕斯卡和佩利尔在验证汞柱升高的原因是大气压的存在时就应用了差异法。佩利尔把气压计放到多姆山顶上发现，在山顶上管中汞柱高度比山下低3英寸，他在返回的路上又做了分段实验，证明气压计中汞柱升高的高度与气压计在山上的高度的降低成正比。而留在山下的另一支气压计汞柱的高度无变化。这一实验结果使帕斯卡坚定了大气压的存在，他明确表示空气的重量和压力是造成汞柱悬挂的唯一原因，因为在山下比山上有更多的空气压下来，所以山下的汞柱高于山上的汞柱。

玻意耳和胡克在研究大气压的性质时也应用了差异法：其中一个实验是把气压计密封在一个大容器中，观察到气压计中的汞柱随着容器中的空气逐渐抽掉而下降，下降到和槽的汞面平齐而止，这个实验证明了汞柱能够维持在玻璃管中是因为大气压的存在。另一个是玻意耳用钟罩盖住铃铛，再把钟罩里的空气抽掉，然后就听不到铃声了的实验，此实验证明了声音的传播靠的是媒质，没有空气这种媒质，声音在真空中就不能传播。

3 共变法

如果某种条件发生变化，所研究的现象也发生相应变化，则某种条件和这个发生了相应变化的现象之间有因果关系。

玻意耳应用了共变法来研究气体体积与压强的关系，用一根一端封闭的U形玻璃管，事先灌入一定量的汞液把一段空气封闭在管中。然后，从开口的一端注入汞液，观察到空气柱的长度随着汞液的注入不断减小，继续注入汞液，空气柱越来越短，从而得出了气体体积与压强成反比的关系的结论。同时，法国物理学家马略特在研究此问题时也得出了相同的结论，后来人们把他们两人的结论称为玻意耳-马略特定律。

在核物理学和粒子物理学的早期发展中，宇宙射线的研究起过很重要的作用，许多新的粒子都是首先在宇宙射线中发现的。最初人们常常采用共变法来研究宇宙射线的来源，奥地利物理学家赫斯在1912年把气球从地面升到5350米高处，发现随着高度升高游离电流逐渐升高，到了5000米游离电流已数倍于地面，他得出具有强大穿透力的辐射是从外界进入大气的。由于宇宙射线的研究成果，赫斯在1936年获得诺贝尔物理学奖。

4 契合差异法

契合差异法也称求同求异并用法，若在研究现象出现的几个场合中，都存在一个共同条件，而在所研究现象不出现的几个场合中，都没有这个条件，则这个条件和所研究现象之间有因果关系。

物质的放射性的发现就是利用了契合差异法。法国物理学家亨利·贝克勒尔在无意间把放射性物质铀盐放到用黑纸包好的底片上，太阳晒了几个小时后底片显示了黑影。为了证实是射线在起作用，首先他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃，再放到太阳下晒，结果仍然出现了黑影。然后，他把铀盐拿走，用两张厚黑纸把感光底片包起来，放在太阳底下，结果没有使底片感光。于是他断定使底片感光的是铀盐，这就是发现放射性的经过。

5 剩余法

如果已知被研究的某一复杂现象是由另一复杂原因引起的，则把其中已判明因果联系的部分减去，可确认所余部分定有因果联系，这就是剩余法。

居里夫人在研究放射性时就采用了剩余法。她以沥青铀矿渣作为原料，沥青铀矿是一种成分复杂的矿石，以铀为主，其余是多种杂质，包括银、铜、钡、铋、钴等金属的化合物，这些杂质中究竟哪一种成分含有放射性，只有靠化学方法分离后，再用静电计比较其游离电流才能鉴别，收集到的沉淀物再用别的试剂溶解和沉淀。采用这种方法，居里夫妇发现了钋，接着他们继续进行分离试验，又发现钡盐中有更强的放射性，又经过一系列的分离，提取了放射性更强的镭。

海王星的发现也是应用了剩余法。在18世纪末19世纪初，由于观测到的天王星的实际运动轨道和理论结果之间有着明显的偏差，人们提出寻找偏离原因的问题。英国青年大学生亚当斯和法国天文学家勒维烈各自独立地根据牛顿理论进行了计算，并预言了产生偏离现象的原因是由于存在某个尚未被发现的天体引起的，并运用万有引力定律推算出这颗星的质量和可能位置。后来柏林天文台的伽勒于1846年9月23日夜间在预定的地点果然发现了一颗新的行星——海王星。

作为一名物理教师，深切地体会到物理教育不能把传授知识作为唯一的目的，而是应该把物理学家认识世界的模式和科学思想方法贯穿在教学过程中，在讲授理论知识时不失时机地将其中包含的物理学方法介绍给学生，这正是每一位教师所需要不断探索的。

参考文献：

[1]李艳平，申先甲，等.物理学史教程[M].北京：科学出版社，2003.

[2]郭奕玲，沈慧君.创造发明1000例[M].桂林：广西师范大学出版社，2001.

[3]郭奕玲，沈慧君.近代物理著名实验简介[M].济南：山东教育出版社，2001.

（栏目编辑 王柏庐）