物理学方法论

物理学方法论
教学目的与要求：了解物理学方法论机器研究内容；理解物理学方法在物理学发展中的作用。

一、物理学方法论及其研究内容
所谓物理学方法，简单的说就是研究、学习和应用物理的方法。

方法是研究问题的一种门路和程序，是方式和办法的综合。

物理学方法论是以唯物辩证法为指导，探讨物理科学一般研究方法的理论，它主要探讨用什么方法研究物理现象，怎样描述物理现象，怎样探索并总结物理规律，如何检验物理规律等。

(1)探讨物理科学认识的逻辑结构和研究程序，揭示物理科学研究过程的各个阶段和每一环节的作用、特点及其所应遵循的一般原则。

(2)总结物理科学研究中常用的一般方法，并将它们分类，揭示各种方法的含义，特点，适用范围，运用的原则和注意事项，以及物理学史上的例证，并尽可能地给出使用模式，以便使用，借鉴与移植。

(3)研究物理学史上的重大突破和有代表性的事例，揭示著名物理学家的研究方法。

(4)研究新兴科学，新兴技术对物理学研究的重大影响，并探讨其方法论意义。

二、物理学方法概述
伽利略是物理科学方法论的创始者。

牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦等物理学家都对物理学的研究方法做出了重要贡献。

目前，物理学已形成了许多新的分支，随之也出现了与之相应的新的研究方法。

但是，就中学物理的内容来说，其主要内容还是经典物理学的基础知识，以及与之相适应的经典物理学的基本研究方法。

一般说来，这种方法主要是以观察、实验为基础，经过科学抽象，运用数学工具，概括总结出经验定律，提出假说，进一步发展成为理论，再经实验的检验，循环往复，使之不断丰富，不断深化，不断完善。

1.经典物理学的研究方法
我们以意大利物理学家和天文学家伽利略(1564-1642)的研究方法为典型例子，来说明经典物理学的研究方法。

伽利略关于运动理论的研究工作，采用了一个对近代科学的发展很有效的程序，即对现象的一般观察→提出工作假说→运用数学和逻辑的手段得出特殊推论→通过物理的或思想的实验对推论进行检验→对假说进行修正和推广。

伽利略是很重视观察的，因为从观察得到的感性经验会使人们认识到现象的特殊方面。

在分析感性经验和借助于创造性想象的基础上，就可以提出工作假说。

伽利略就是根据自然界单一效应的简单性的信念大胆假设自由落体是一种速度随时间成正比而增加的匀加速运动，他正是从假说入手讨论他所要研究的那种运动的定义和性质的。

进而，在数学演绎阶段，从假设引出可检验的逻辑推论；在这里，数学成为他进行逻辑演绎和论证的有力工具。

最后，通过特殊情况的实验，对由假设得出的结论进行检验。

在完成上述步骤之后，就可以建立理论，并把它的成果向更大的广度和深度推进。

伽利略实质上使用了把实验和逻辑(数学)结合起来的方法，从而有力地推进了人类科学认识活动的进展。

他所发现的许多最基本的定理，都是通过了实验和逻辑的双重证明的。

值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的，他所写出的实验数据都同理论结论精确的符合，这很可能是因为他对数据进行了筛选。

这表明伽利略并没有被实验的表面现象所束缚，能够正确地对待和解释实验误差。

在他看来，实验结果与理想的简单规则之间的偏差，只是某些次要因素干扰的结果。

比如，在实际的下落实验中，重球与轻球并不是同时落
地的，伽利略认为这是由空气的阻力造成的，所以不应该由于这点误差而对亚里士多德学说的重大谬误提出辩护。

又如在单摆实验中，摆球并不能完全回到原来的高度，伽利略把这点微小的偏差也归因于空气和绳子的阻力。

由此可见，无论是在动力学基本原理上，还是在动力学研究方法上，伽利略都做出了奠基性的重要贡献。

爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》中评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”。

2.现代物理学的研究方法
随着工业和生产技术的巨大发展，二十世纪初以来为物理实验提供了电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机等大批大型、精密的实验装置，光谱分析、质谱分析、X射线衍射等分析技术也得到很大的发展，从而使物理学实验在精密、高能、快速和自动化方面达到了新的水平，物理学观测的视野也得到很大的拓展。

现代物理学实验除了能够用更有效的手段纯化实验条件和隔离实验因素之外，还发展了有效地施加外部干扰和使研究对象处于极限条件，在对象的激发状态或破坏状态下进行观测的实验方法。

这就更加充分地发挥了实验的变革作用和控制作用，以更好地揭露物理现象中各种内在和外在的因素之间的相互联系。

另外，现代物理实验由于实验的规模越来越大，它的集体化、社会化的程度也越来越高，许多实验是在较大规模的实验机构中进行的，有些实验需要组织全国甚至国际的力量才能完成。

例如，现代高能物理实验，往往要在几千亿电子伏特的能量范围，上百万美元的费用，几十个人在几年的时间内才能完成；为了得到所需要的实验信息，物理学家们必须把大部分精力用于开发仪表和技术，实验的准备工作往往比实验本身困难得多。

这样的实验是靠个人的力量所不能完成的。

由于现代物理学研究的内容远离实践经验的范围，理论体系高度抽象化和脱离直觉经验的特征无可避免地日益加强，这使通常的思维方式和机械论的观点愈来愈无能为力；创造性思维如抽象思维、科学想象、理想实验、试探猜测和大胆假设以及直觉、灵感等方法在建立新的物理学理论中的作用愈来愈突出了。

人们愈来愈认识到，传统的归纳法和演绎法很难使人类思维成为真正创造性的根源。

爱因斯坦认为，理论观念的产生固然是建立在经验的基础之上的，但是理论决不可能逻辑地从经验事实中导出，“在建立科学时，我们免不了要自由地创造概念”。

他特别指出，物理学的概念是人类智力的自由创造，它不是单纯地由外在世界所决定的。

在近代科学发展的早期，人们曾以为认识可以在毫不改变客体本来面目的情况下实现；即使主体必须在变革客体的过程中认识客体，这种变革所产生的影响也是可以运用逻辑思维抽象掉的。

但是到了二十世纪，随着科学实验的发展，特别是在微观物理学的研究领域中，由于微观物体的特殊本性以及观测仪器与被观测系统之间不可避免的干扰的存在，主体在认识过程中的巨大的能动作用已成为现代科学方法的一个基本特点。

经典物理学时期，也是科学注重于本体论的探索的时期，人们把“现象→规律→实体”作为把科学研究向纵深推进的基本线索。

这无疑是一种有效的方法，今后也还会继续发挥其认识的作用。

不过，在现代物理学的研究中，人们更注重于关系和模型，这是一个能动的认识论的时期。

一些学者认为，把西方科学中重视实体，强调经验、分析和定量表述的方法与中国传统哲学中重视关系，强调整体、协调和转化的思想结合起来，将会导致一种更加符合我们时代的科学精神的新的自然观和科学认识方法。

从物理学的发展历史来看，随着物理学研究内容的变化，物理学的研究方法也在变化着，不断得到丰富和提高。

在古代，人们主要是靠不充分的观察和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。

随着近代自然科学的兴起，观察方法就从以自然观察为主发展为以仪器观测为主。

科学实验和数学方法相结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快的发展。

整理事实材料的需要，也促进了分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展。

这一时期科学方
法的发展，使物理学作为一门实验科学的特点显著地呈现出来。

十八世纪末到十九世纪末，实验方法、数学方法、假说方法和理论概括方法都有了显著的提高和发展，统计方法也被引进了物理学。

二十世纪以来，科学实验在精密、快速和自动化方面达到了新的水平；物理学理论的公理化和数学化的特点更加突出；科学想象、理想实验、创造性思维等方法，对于现代物理学的发展起到了重要的作用。

三、物理学方法列举
方法是沟通思想、知识和能力的桥梁，物理方法是物理思想的具体表现。

研究物理的方法很多，如有观察法、实验法、假设法、极限法、类比法、比较法、分析法、综合法、变量控制法、图表法、归纳法、总结法、发散思维法、抽象思维法、逆向思维法、模拟想象法、知识迁移法、数学演变法等。

运用方法的过程也是思维的过程，思维主要包括抽象思维和形象思维。

下面谈谈常见的一些思维方法及其运用。

实验法：实验法是利用相关的仪器仪表和设计的装置通过对现象的观测，数据的采集、处理、分析后得出正确结论的一种方法。

它是研究、探讨、验证物理规律的根本方法，也是科学家研究物理的主要途径。

正因如此，物理学是一门实验科学，也是区别于其它学科的特点所在。

当然，其中也包括了观察法，观察实验应注意重复试验，去伪存真、去表抓本，去粗存精，数据观测正确，理论与实验的误差，理想与实际的差异，发现规律。

假设法：假设法是解决物理问题的一种重要方法。

用假设法解题，一般是依题意从某一假设入手，然后运用物理规律得出结果，再进行适当讨论，从而找出正确答案。

这种解题科学严谨、合乎逻辑，而且可拓宽思路。

在判断一些似是而非的物理现象，一般常用假设法。

科学家在研究物理问题时也常采用假设法。

我们同学在解题时往往不敢大胆假设，不懂的怎样去创设物理图景和物理量，也就觉的无从下手了。

还有一些题中的物理量较少，虽然结果只与其有关，但在分析物理过程中又需要一些新的物理量介入时，也要进行相关量的假设，最后可以再消去。

极限法：极限法是利用物理的某些临界条件来处理物理问题的一种方法，也叫临界（或边界）条件法。

在一些物理的运动状态变化过程中，往往达到某个特定的状态（临界状态）时，有关的物理量将要发生突变，此状态叫临界状态，这时却有临界值。

如果题目中出现如“最大、最小、至少、恰好、满足什么条件”等一类词语时，一般都有临界状态，可以利用临界条件值作为解题思路的起点，设法求出临界值，再作分析讨论得出结果。

此方法是一种很有用的思考途径，关键在于抓住满足的临界条件，准确地分析物理过程。

综合法（也叫程序法）：综合法就是通过题设条件，按顺序对已知条件的物理各过程和各因素联系起来进行综合分析推出未知的思维方法。

即从已知到未知的思维方法，是从整体到局部的一种思维过程。

此法要求从读题开始，注意题中能划分多少个不同的过程或不同状态，然后对各个过程、状态的已知量进行分析，追踪寻求与未知量的关系，从而求得未知量。

一般适用于存在多个物理过程的问题。

分析法：分析法是综合法的逆过程，它是从求未知到已知的推理思维方法。

是从局部到整体的一种思维过程。

其优点在于把复杂的物理过程分解为简单的要素分别进行分析，便于从中找出最主要的、最本质的、起决定性的物理要素和规律。

具体是从待求量的分析入手，从相关的物理概念或公式中去追求到已知量的一种方法。

要求这个量，必须知道那些量，逐步寻求直至全部找出相联系的物理过程和已知的关系，而后再从已知量写到未知量。

综合法和分析法是最常用的解题思维方法。

分析和综合又是相互联系的，没有分析也就没有综合。

综合是以分析为基础，分析又是以综合为指导。

模拟法：模拟法是将题设中文字描述的物理过程、状态通过实物模型或图示模型形象地描绘出来以帮助思维分析的一种方法。

它能直观的反映出物理过程，也有助于理解、分析、记忆
物理过程。

是一种化复杂为简单、化模糊为清晰的有效方法。

尤其对一些空间问题、抽象情景，如运动的追踪、电磁场等问题的分析就显而易见了。

注意的是在设置模型时必须相对的准确、形象，以免造成误解。

类比法：类比法是指通过对内容相似、或形式相似、或方法相似的一类不同问题的比较来区别它们异同点的方法。

这种方法往往用于帮助理解，记忆、区别物理概念、规律、公式很有好处。

通常用于同类不同问题的比较。

如：电场和磁场，电路的串联和并联，动能和动量，动能定理和动量定理，单位物理量的形式（如单位体积的质量、单位面积的压力）等的比较。

而比较法可以是不同类的比较，更有广义性。

比如数学中曲线的斜率在物理图像里表示的物理意义是不同的，应学会比较，有比较才能有区别。

控制变量法：其方法是指在多个物理量可能参与变化影响中时，为确定各个物理量之间的关系，以控制某些物理量使其固定不变来研究另外两个量变化规律的一种方法。

它是研究物理的一种科学的重要方法。

其实每个解决物理问题的方法表面上看起来是孤立的，但实际上它们是相辅相成，密不可分的，要想解决更高层次的物理或者从事高层次的物理研究，这些方法共用会达到更好的效果。

比如伽利略首创了“科学实验法”。

其步骤如下：1、通过观察提出疑问。

轻重不同的物体从同一高度落下，落地时间是否如亚里士多德所说的那样悬殊。

2、提出合理的假设。

“当我观察一块原来静止的石头从高处落下速率连续增加时，为什么不应当相信速率的增加是以一种简单的，也是众最容易理解的方式在进行呢？”3、数学推导。

得出匀加速运动通过的距离与时间的平方成正比，即=常量。

这里不含任何瞬时值，只要直接测定S和t就行了。

4、实验验证为了“冲淡重力”减缓下落运动，伽利略进行了著名的斜面实验。

从而否定了亚里士多德的错误观点，为力学的发展做出巨大贡献。

四、关于物理学思想
何谓物理学思想？物理学思想就是研究物质的运动形式、内在规律和物质基本结构的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果。

这种思维活动是人的一种精神活动，是从社会实践中产生的。

其内涵包括了物理科学本身的发展建立、物理学家的探索精神和研究方法以及我们学习物理的思想过程。

狭义地说，就是学习物理过程而形成的符合物理体系、物理规律和物理逻辑、物理方法的结果。

我们应该学会用物理思想去分析、解决物理问题。

认识物理学思想，是学习物理学家对物理科学的热爱和努力追求科学的严谨态度；学习他们不怕失败敢于胜利的精神；学习他们不畏艰辛勇于拼搏的工作作风；学习他们善于假设、实验、发现、创新的辨证思想；学习他们对物理的认识有着独创见解、并能自成体系的勇气和胆略；学习他们研究物理在表象、概念的基础上能进行抽象、模拟、分析、综合、判断、推理、总结等认识活动过程的思维方法。

例如，牛顿运动三定律中的第一、二定律就是在伽利略的工作基础上由牛顿总结出来的。

认识物理学思想是学好物理的前提，因此，我们在学习物理过程中，始终要领会物理学思想，并能逐步转化为自己的思想。

掌握科学方法，提高解决物理问题的能力是极其重要的。

我们在了解物理学发展史的同时，不仅要学习物理学家的精神，而且要学习他们研究物理的方法，努力汲取物理学家的精华。

当然，随着科学的发展，物理学习的深入，新思想新方法会不断出现，只要我们不懈的努力，勇于探索，大胆创新，一定能为物理教学做出贡献。

思考与讨论
1.爱因斯坦的科学研究方法有何特点？它对你有何启示？
2.伽利略的科学研究方法有何特点？。