物理研究方法综述及其在材料物理研究中的应用

冷玉敏 孙宁 王安忆

【摘   要】   总结物理领域中涉及到的研究方法，如模型法、等效法、类比法、逆向思维法、猜想法、控制变量法、归纳法、转换法、几何描述法、放大法和微元法等。此过程有利于物理研究方法在教学和科学研究过程中的借鉴、应用和推广。结合相关科学研究，将猜想法和类比法应用到材料物理研究过程中，并尝试使用实验法证明相关观点。

【关键词】   物理领域；研究方法；材料物理；研究应用

Review of Physical Research Methods and Their

Applications in Material Physics

Leng Yumin1， Sun Ning2， Wang Anyi1

（1. Anqing Normal University， Anqing 246133， China;

2.Changchun No. 10 Middle School， Changchun 130011， China）

【Abstract】    The paper summarizes the research methods in physics， such as model， equivalence， analogy， reverse thinking， conjecture， control variable， induction， transformation， geometric description， amplification and micro-element methods. It is beneficial to the use， application and popularization of physical research methods in teaching and scientific research. In combination with relevant scientific research， the idea of conjecture and analogy is applied to the research process of material physics， and the paper tried to use experimental methods to prove relevant ideas.

【Key words】     physical field; research methods; material physics; research and application

〔中圖分类号〕  G642                   〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）01- 0016- 06

0     引言

全面实施的新一轮课程改革强调要以“关注每一个学生的个性发展”为核心理念，实现“以人为本”的素质教育。这要求物理教师在让学生掌握一定的物理基础知识的同时，要以培养工程化、应用型人才为目标［1］，更注重培养学生的应用、动手和创新能力，能够面向现实，学以致用。因此，利用有限的课堂时间，提高学生的学习兴趣，调动学生的积极性，最大限度地满足学生学习的需要，培养学生的创新能力，应是每位物理教师不断研究和探索的课题。物理领域中研究方法指导着物理学科的发展和物理实验的开展。通过总结物理领域中研究方法，有助于教师在教学过程中，培养学生的综合归纳分析能力和逻辑思维能力。在物理实验教学过程中，有意识地应用物理研究方法指导实验过程，有利于培养学生的应用能力、创新能力、动手能力和合作交流能力等。全面了解物理领域中相关研究方法，有助于物理教师有效应用研究方法指导学生进行物理实验的相关操作，并基于实验过程和结果，发现自然科学规律和定理。

本文重点归纳总结物理相关研究方法，如模型法、等效法、类比法、逆向思维法、猜想法、控制变量法、归纳法、转换法、几何描述法、放大法和微元法等。通过对物理领域中研究方法的归纳和总结，在教学和科学研究过程中进行借鉴、作用与推广。将类比法和猜想法应用于材料物理的科学研究过程中，通过类比麦克斯韦电磁波的提出方法，采用猜想法提出自己的观点：在大分子体系中，金属离子介导分子成环，将类似于麦克斯韦电磁波。并通过实验表征，尝试性证明猜想［2-3］。该研究内容发表后得到高分子化学创始人、1987年诺贝尔奖得主 Jean-maire Lehn教授的支持和认可。

1     物理领域相关研究方法

1.1   模型法

模型法就是通过建立物理模型来研究物理的一种思维方法，例如卢瑟福模型（或称行星模型、太阳系模型）是物理科学家欧尼斯特·卢瑟福建立的原子模型，如图1a。1909年，卢瑟福带领的科研团队通过卢瑟福散射实验，成功证实了原子核位于原子中心处。从此，约瑟夫·汤姆孙倡导的梅子布丁模型（又称枣糕模型）被推翻。卢瑟福散射实验表明：大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（称为原子核），原子核的外面被大量的电子环绕着，类似于太阳周围有行星环绕着，并进行着规律性运动［4］。

（c）单摆物理模型

另外，弹簧振子和单摆均为典型的理想化物理模型［5］。如图1b，弹簧振子是一个不考虑弹簧的质量、振子的大小和形状、忽略摩擦阻力的理想化的物理模型。该理想化模型的建立，使得研究简谐振动的运动规律简单化。如图1c，单摆是另一种理想化的物理模型，它由质量不计的摆球和不可伸缩的摆线组成。摆球的选取要求其密度较大且球半径比摆线的长度小得多，满足此条件才可以将摆球理想化成质点，摆角[θ]需要满足小于10°。单摆被应用于准确测定时间（摆钟），也被用来测量重力和重力加速度的变化。例如，牛顿利用单摆证明了物体的重量与其质量成正比。直到20世纪中期，单摆依然是测量重力的重要仪器。天文学家里希尔（与惠更斯同时代）曾将摆钟从巴黎携带到南美洲法属圭亚那，发现每天慢2.5分钟，经过精密校准，回巴黎时又快2.5分钟。

1.2   等效法

等效法是实验物理中常用的思维方法。在实验过程中，将难处理的问题转化成易处理的问题，将一个物理量用另一种物理量来代替，并确保实验结果相同，此方法即为等效法［6］。如图2a，电路中有若干個并联电阻，可以把并联电阻等效为一个大电阻。等效法也常被用于串联电路中，将多个串联电阻等效为一个电阻 （图2b）。实验物理使用等效法的目的是将复杂的问题简单化，便于我们处理复杂电路中电压、电流和电阻之间的关系。

1.3   类比法

在识别物理概念时，比较某一点相同或相似的事物，把知识点有效的联系起来，起到举一反三、触类旁通的作用［7］。例如在学习电流的形成时，可以用电流类比水流，通过类比水流的形成，在水压作用下水流向某一方向流动，在水管中形成水流，便于理解认识在电压作用下，自由电子定向移动而形成电流。在学习匀强电场时，可以类比重力势场，很容易理解接受匀强电场的很多性质。

在学习质点和刚体的运动规律时，发现质点做匀变速直线运动、匀变速圆周运动和刚体绕定轴作匀变速转动的加速度、速度和位移间的关系，存在类似性［8］，见表1。采用类比法，通过类比初高中已熟悉的质点匀变速直线运动的加速度、速度和位移间的关系，便于快速掌握质点匀变速圆周运动和刚体绕定轴作匀变速转动的加速度、速度和位移间的关系。表2是质点运动规律和刚体定轴转动规律对照表［8］。若采用类比法，类比质点的运动规律，更有利于快速掌握刚体绕定轴转动的规律。

上述质点做匀变速直线运动、匀变速圆周运动和刚体绕定轴匀变速转动的运动规律的相似性，有助于理解狭义相对论的相对性原理，即在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同［8］。

1.4   逆向思维法

逆向思维法就是改变原来顺序或向问题的反方向去思考的一种思维方式［9］。例如，1820年4月21日奥斯特为学生上课期间，搭建实验装置时，发现电线通电流时，旁边的磁针发生了偏转。这一发现激起奥斯特的极大兴趣。思考之后，他又进行了大量的实验，直到他确信电流可以产生磁场。1820年7月21日，奥斯特以论文的形式发表了他的研究结果：电流可以激发磁场［10］，如图3a。法拉第基于电生磁，采用逆向思维法，坚信磁场肯定可以激发生电场，如图3a。于是，法拉第进行了大量的实验研究，其中一个实验：将长约62米的铜导线缠绕在木棍上，铜导线的两端与电流计相联，然后合上电源开关，发现电流计指针动了一下又回到0点。他反复把开关断开、闭合，都发现了相同的现象。根据实验现象，法拉第提出电磁感应规律［11］。

1.5   猜想法

猜想法是物理领域中一种重要的思维方法，有些规律不是科学家们通过实验来提出或验证的，而是在实验的基础上进行总结、推理和论证的。1864年英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，采用了猜想法。基于奥斯特电生磁、法拉第磁生电的研究，麦克斯韦猜想：电生磁、磁生电，这样一环套一环，一直往下传，就形成了电磁波［11］，如图3b。

伽利略惯性定律实验，伽利略将无限光滑的两个斜面相连，让球从左侧斜面上以一定的高度（h）滚下，发现：不管怎样改变右侧斜面的坡度，从而改变小球所经路程，小球都会沿斜面滚到h的位置如图4。基于此发现，伽利略猜想：若第二个斜面为无限延伸且无限光滑的水平面，则小球将会一直向前运动。尽管历史上已有许多科学家对惯性运动作了许多描述或猜想，但唯有伽利略率先设计精密实验，进行严格的推理，得出明确的结论。这为惯性定律的建立取得了突破性的进展。

1.6   控制变量法

控制变量法，在物理学中常采用控制变量法将多个因素转化为单个因素。只改变一种量而保留其它量不变，研究改变量对实验的影响。例如，在研究物体的动能与质量和速度关系的实验中，使两个质量不同的小车从同一高度的斜坡上滑下，通过小车滑行的距离来判断小车动能大小，观察到质量大的小车滑行距离大，质量小的小车滑行距离小；使两个质量相同的小车从不同高度滑下，观察到从较高斜坡滑下的小车滑行距离较大，从较低斜坡滑下的小车滑行距离较小［8］，如图5所示。

1.7   归纳法

归纳法就是把一系列个别现象进行概括总结，从中抽象出具有一般性结论规律的推理方法。例如，通过实验可以看到，正电荷和正电荷互相排斥，负电荷和负电荷互相排斥，正电荷和负电荷互相吸引。采用归纳法，科学家得到这样的结论：同一种类的电荷互相排斥，不同的电荷互相吸引［8］，如图6所示。

1.8   转换法

转换法就是把不能直接观察到的现象，通过转换法变成可以被观测的宏观物或者宏观效应。在物理实验中为了方便观测到实验现象，常采用转换法。例如，在进行电热与电阻关系的探究时，可以借助空气的热胀冷缩，把电热的量转换成液柱上升的高度来显示，如图7所示。

1.9   几何描述

为了方便问题的研究，可选择用线条等手段来描述各种看不见的物质。例如在学习光的传播时，光是看不见、摸不着的，为了让学生更直观地学习光传播知识，选择用光线来描述光的传播路线，光的折射和反射都可以用光线来描绘；在磁场的学习中，同样用磁感线来描绘磁场［8］，如图8所示。

1.10  放大法

在物理实验中会经常测量微小物理量，这些微小物理量的变化不容易被观察到，所以通常要用放大法，有助于测量。例如，在测量很难准确测量的微小位移量时，可以利用光杠杆法来将其放大为能够直接测量的量，如图9所示，平面镜M放置在三脚架上，并且可以绕与前足连线平行的轴转动，测量时将前足放平台的凹槽中，后足放在被测物体的上端。距离镜面M前方L处，放置一望远镜和标尺。当物体发生微小位移Δl时，M转动一个角度[α]，根据光的反射定律，镜面转过[α]角，反射线则转过[2α]角。此时可以从望远镜观察到标尺的变化量，根据几何关系列出等式，求出Δl，获得了微小变化量的放大，并提高了Δl的测量精度［12］。除此之外，放大镜、显微镜等都是采用放大法的原理来观察事物。

1.11   微元法

微元法是解决物理问题时常用的一种解题方法。运用了从局部到整体的思维，把研究对象分成无限个小部分，从中抽取一个小部分进行分析，每个小部分所遵循的物理规律是相同的，所以只分析一个小过程即可。例如，在学习瞬时速度时，從t到Δt这一段时间内，Δt越小，运动快慢的差异也就越小，在此基础上，若Δt趋近于零，则可认为Δt的平均速度相当于t时刻的瞬时速度［8］。

2     猜想法和类比法在材料物理研究过程中的应用

根据2016年诺贝尔化学奖得主Sauvage和Stoddart教授获奖论文的相关报道，即使用Cu（I）介导分子合成一系列的“双环”络合物［13-15］。Sauvage教授预言：金属离子介导分子成环，有望扩展到聚合物和大分子体系，将产生非常有意义的结果［15-16］。Stoddart教授在他的获奖论文中提到分子穿梭现象［17］。于是，我们猜想：在微观领域（如大分子和蛋白质系统），金属离子介导分子成环，将类似于麦克斯韦电磁波（见图10），且金属离子穿梭于分子环间［2-3］。

为证实猜想，设计实验如图11，选用胃蛋白酶（pepsin，Pep）和胰蛋白酶（trypsin，Try）作为还原剂，在强碱性条件下将Au（III）还原为Au（I），Au（I）介导Pep/Try内氨基酸分子成环（简称Au（I）-Pep/Try），在此基础上引入另一种蛋白质，促使Au（I）从Pep/Try穿梭到其它蛋白质内，并介导其氨基酸成环，微波加热至溶液沸腾，迅速固化分子环，形成类似蜂窝状的模板剂，并将Au（I）还原为纳米金，其分散于蜂窝内。纳米金的形貌表征（见图12）证明了猜想的合理性［2-3］。

3     总结

本文总结了物理领域中相关的研究方法，包括模型法、等效法、类比法、逆向思维法、猜想法、控制变量法、归纳法、转换法、几何描述法、放大法和微元法等。尝试性地将猜想法和类比法应用到材料物理研究过程中，通过类比电磁波的提出方法，猜想在大分子和蛋白质系统中，金属离子介导分子成环，类似于麦克斯韦电磁波，并采用实验表征的方法，证明相关想法。本文对物理研究方法的总结及应用，有助于其在教学和科学研究过程中的借鉴、应用和推广。

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