物理研究方法的形成及物理方法教育

物理研究方法的形成及物理方法教育

刘朋朋

新疆石河子第一中学，新疆 832000

摘要：新时期的物理教师不仅要教理论知识又要教研究问题的方法。不但要了解他人的研究成果，还要知道他们用什么方法建立理论体系的，初步学会和掌握物理研究的基本方法。这样学生在以后的工作中，以这种方法为指导，减少工作的盲目性。本文主要阐述物理学家是在怎样的条件下采用什么方法研究问题的。

关键字：物理方法；数学；观察；实验

物理研究方法是人们从生产生活中创造出来的，不是凭空想象出来的。根据人类认识自然过程的发展顺序可以将物理研究方法分为两类：一类是获取感性经验材料的方法，主要有观察、观测、实验、模拟、调查等；另一类是加工研究材料和做出物理结论的方法，主要有各种逻辑方法、抽象方法、想象与灵感、数学方法、物理假说等。我们根据时间顺序选取不同时期较为典型的研究方法。

一、古代物理研究方法

这一时期代表人物有亚里士多德、阿基米德、托勒密，他们都是古希腊的物理家，他们研究物理的方法以思辨哲学和观察简单实验为主。亚里士多德观察大量落体运动，提出物体下落快慢与重量有关，越重的物体下落越快，越轻的物体下落越慢。由于两千多年前生产力低下，研究条件、研究环境的研制，这些错误是不可避免的。阿基米德从解决王冠鉴定问题中提出了阿基米德原理，虽然他开创了用实验的方法研究问题，可是实际上这类实验仅在少数与日常生活密切相关的项目中进行，零星不够系统，并且这些实验仅限于现象的描述，缺少概括、总结形成系统的理论。托勒密发展了亚里士多德“地心说”，提出了“十层天”的宇宙结构模型，这种仅凭肉眼观察得出的结论，实际上也是一种错误的观点。

这一时期物理研究给我们的启示是要掌握物理的观察方法。它与日常的观察不同，首先是为解决一定的物理问题进行的，其次要运用各种感官，再次要有准确、详细记录。在观察中要坚持几个原则：第一，以物理事实为依据，不能人为改造数据；第二，坚持物理观察的辩证性与客观性相统一，客观事物都有其产生、存在、发展和灭亡的历史过程，要坚持全过程的观察；第三，要坚持物理观察典型性；第四，要坚持持久性和反复性原则；第五，要有计划性，事先要做好计划。

二、近代物理研究方法

这 一时期代表人物有伽利略、牛顿，他们的研究方法主要有理想实验法、归纳—演绎法、物理—数学法、分析—综合法。例如，伽利略开创了研究自然物理的一般方法：对现象的一般观察，提出问题，运用数学和逻辑进行推理，实验检验，形成理论。为了推翻亚里士多德关于力是维持物体运动的原因，他设计了理想斜面实验，如图。

他将两个斜面对接，让一小球沿一斜面由静止滚下，小球将滚上另一斜面。如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。如果减小第二个斜面的倾角，小球要到达原来的高度就要通过更长的距离。继续减小第二个斜面的倾角，小球将运动更远。如果将第二个斜面改成水平面，小球为了到达原来的高度将永远地运动下去。这个实验虽是想象的，在现实生活中不可能做到，但却是建立在可靠的事实基础上。这种研究方法的优点是把研究的事物理想化，突出事物的主要特征，化繁为简，易于认识其规律。伽利略的这一自然物理新方法，有力地促进物理学的发展，他因此被誉为是“经典物理学的奠基人”。

牛顿在他的物理研究中主要用到了归纳—演绎法、物理—数学法、分析—综合法。第一，分析—综合法。牛顿从观察和实验入手，用归纳法从特殊中得到普通的结论，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。感性知识上升为理性知识需要数学的方法,现在很多学科实现了数学化,物理学也不例外。

三、现代物理研究方法

从19世纪末至今，是现代物理学取得革命性进展的时期。物理学的研究领域逐渐渗透到各个学科，实验手段与设备得到改进和提高，理论基础发生质的飞跃。这一时期主要代表人物有爱因斯坦、卢瑟福、玻尔等，在研究方法上主要有建模、物理假说、大规模的实验、高度抽象的理性思维和国际化的合作与交流。 这一时期人们对自然界的研究从宏观深入到微观后，研究方法发生了很大的变化。卢瑟福散射实验不仅对原子物理起了很大的作用，而且这种以散射为手段研究物质结构的方法，对现代物理一直起着巨大的影响。另外，人们提出用“物理模型”解决某一问题或解释某一现象的方法是一创举。例如，为了说明原子的结构，汤姆孙提出了原子“西瓜模型”，又叫“枣糕式模型”，但是当这一模型提出后，很多人提出质疑，卢瑟福就是其中的一位，他用а粒子轰击原子的实验中，发现а粒子在轰击原子时有大约八千分之一的概率被反射回来，如果原子是“西瓜模型”的话，是不可能出现这一现象的，进而提出原子“核式结构模型”，1913年卢瑟福助手盖革和学生马斯顿用实验验证了原子“核式结构模型”是正确的。由此可见，模型是研究物理问题的一种重要的方法。另外，物理假说假设在解决问题中发挥着重要作用。例如，1900年普朗克为解释黑体辐射提出量子假说；1905年，爱因斯坦为解释光电效应提出光量子假说；为了建立崭新的时空观，爱因斯坦还提出两个重要的假设，即光速不变原理和狭义的相对性原理。

这些方法给我们的启示是：第一，要大胆想象。文章如果没有想象，就会成为一潭死水式的八股文。同样物理如果没有想象，就很可能停留在抓不住本质的经验公式上。第二，要有数学天赋。爱因斯坦的数学水平本来就很好，但他仍谦虚地说：“我总是为同样的数学困难所阻”。由于研究的需要，他专门请了一个很强的年轻的数学助手。第三，要学会思考。爱因斯坦认为：“在教育中发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位。”他还强调“学习知识要善于思考、思考、再思考。”人的智慧的差别在于应用思维的能力。脑力也需要锻炼，一辈子不停地努力思考，思维能力就会不断提高。

四、物理方法教育

新时期的物理教师不仅要教理论知识又要教研究问题的方法。古人云：“授之以鱼不如授之以渔”。这就强调了教育方法的重要性，作为老师我们不能只是传授知识，科学家在研究的过程中物理研究方法也要涉及，在讲解物理学史可以顺便讲解物理方法，这种卓越的思想需要传播。物理课堂中要讲解的内容是，除了知识还有就是物理研究方法，不但要让学生了解前辈们的研究成果，还要知道他们用什么方法建立理论体系的，初步学会和掌握物理研究的基本方法。这样学生在以后的工作中，以这种方法为指导，减少工作的盲目性。举个例子，中南大学的一个大三学生解决了一道国际性难题，她的数学并不是太突出，可是他遇到这道题时先了解前人是怎么处理的，结果发现一位数学家已经找到解决问题的办法，只是需要做些微小修改就可以解决这道题。可见从源头出发可以认识一个事件的本质，是解决问题的关键，学习物理学史也许能够找到解决问题的办法。

总之，无论是年轻的物理教师还是年长的物理教师都应该努力学习物理的研究方法，在教学过程中有目的地渗透物理研究方法，以便更好地适应新时代的教育要求。

参考文献

[1] 栾玉广.自然物理技术研究方法[M].中国物理技术出版社，2010:23,74.

[2] 江弘.世界著名物理家与物理革命[M].南开大学出版社，1992：13-16,82-83.