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中学物理中的几种研究方法
【关键词】 ;
【正文】 物理学中的科学研究方法的不断发展,推动了物理学乃至整个自然科学的发展。在物理学科的内容日益系统化和完善的过程中,物理学中的科学研究方法也随之丰富起来。我主要研究包括实验方法、理想化模型方法、假说方法、类比方法在内的四种在中学物理学习中常用的研究方法。
一、实验方法
物理学是一门以实验为基础的科学,物理规律的发现及建立,必须依靠科学实验为基础。物理实验是人们根据研究和学习的目的,利用物理仪器、设备等物质手段,人为控制、变革或模拟物理现象,排除各种偶然次要因素的干扰,突出主要因素,在有利的条件下重复地研究物理现象及其规律。
物理实验具有以下几个特点:第一,物理实验能使研究对象以较为纯粹的状态出现。利用各种手段将研究对象从复杂的自然联系中分离出来,人为地排除各种偶然次要因素的干扰。第二,物理实验可以强化观察对象的条件。通过实验手段创造出超高压,超真空,超磁场,超低温等自然状态下难以出现的特殊条件,就能进一步认识新的现象,新的特征。第三,物理实验可以使观察对象重复出现。自然现象受时空限制,有的周期长,给观察带来困难。
早在17世纪上半叶,物理学中就提出了光速的传播速度是否有限的问题。当时笛卡儿认为是无限的,而伽利略认为是有限的。这样就有一个如何测定光速的问题。最初想在地面上用实验方法测定,但未能成功。
伽利略的实验是,在A、B两地各有一人手持信号灯,当A打开信号灯,把灯光信号传到B后,B立即再将信号传回A,测量整个过程所需的时间。当时A、B距离为1英里。但实验未给出准确的时间差,以失败告终。后来他提出利用天文学的办法测定光速。
惠斯通于1834年提出用旋转镜来测量电火花持续的时间,由此来测量光速。但由于这种方法要求镜子必须具备每秒转动1000多次的速率,所以当时并未成功。但这个基本方法给斐索和傅科以启事。
二、理想模型方法
在研究物理学问题时,为了更好地认识物理现象、本质和规律,更具研究对象和研究重点的不同,对研究对象进行概括性和形象化的处理,舍弃次要的非本质因素后,只包含主要的本质因素的载体叫做物理模型。
理想模型的建立为物理学的发展提供了动力和引起了巨大的推动作用。首先,理想模型可以使问题处理大大简化,而且不会发生大的偏差。其次,理想模型突出了物质结构原型的本质特征,便于进行逻辑思维和发挥想象力。再次,利用理想模型的某些相似性,适当地进行类比是一种重要的研究问题的方法。最后,从理想模型与实际模型的差异中可以得到新的启示,产生新的科学预见。
自1897年发现原子后,汤姆逊就认为电子是原子的一部分,并提出了“均匀模型”,也称为“葡萄干面包模型”。这一设想认为正电是一个均匀球体,而电子则均匀地分布在正电球体中。同一时期,法国的皮兰提出了“原子结构可能具有行星式结构”德国的勒纳也提出了“行星式模型”。
直到1909年,卢瑟福的两位助手盖革和马斯登,在卢瑟福的指导下,做了粒子散射实验,发现了大角度散射,即有的粒子的散射角可超过。实验结果,发现8000个粒子中就有1个粒子发生大角度散射。因此,卢瑟福意识到,要解释这一大角度散射的结果,只有正电子集中在一个很小的范围内,由于库仑静电斥力,才能使粒子产生大角度散射。于是在1911年,卢瑟福提出了“原子的有核模型”,认为正电子集中在核内,电子绕核运动,而估算核的大小为m。可见,理想化模型方法在物理研究过程中所起到的作用是不可替代的。
三、假说方法
假说是人们根据已有的事实材料和科学原理,对尚未认识的自然现象及其规律尝试性的提出的假定性解释,它是自然科学中建立理论的桥梁。但提出一个假说和产生一个想法是有区别的,假说一定具有比较完整的结构,它往往从很多想法中选择出来并经受初步检验。
假说方法在物理问题的解决上具有不可替代的作用。首先,假说使物理学研究具有自觉性,减少盲目性。其次,假说使发现新事物,建立新概念、新理论的桥梁。最后,错误假说有时也有积极意义,在其验证过程中甚至会有以外的发现。
“分子电流”的概念是由法国科学家安培提出的。他提出了这样的假说:“组成磁铁的最小单元(磁分子)就是环形电流。若这些分子环流定向地排列起来,在宏观上就会显示出N、S极来。”安培长期从事电流之间力的研究的目的是想用电流解释所有电磁现象。
从现代物理学的观点看,安培的分子电流假说不尽正确,但在当时能提出这样的假说,是十分大胆的尝试,是一种创新。安培把一切电磁作用简化为电流之间的相互作用,开创了电动力学的新纪元。
四、类比方法
类比方法是根据两个或两类对象之间在某些方面的相似或相同而推出他们在其他方面也可能相似或相同。由于类比方法是就两个或两类特殊对象的比较,而推出相关的某一特殊对象的结论,所以类比过程是一个由特殊到特殊,由此物及彼物,由此类于彼类的过程。
法国物理学家库仑曾用扭称进行了测定电荷之间排斥作用与电荷距离的关系的实验。通过实验,库仑得出结论:两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这两球中心的距离平方成反比。但实际上库仑的实验结果精确度并不高,用平方反比关系,其指数偏差为4%.显然库仑借鉴了万有引力定律,事先有了平方反比的概念,才会得出这样的结论。另外,库仑并没有进行改变电量的实验,而是说“假说的前一部分无需证明”。显然他是在模仿万有引力定律,因为万有引力定律是与相互作用的两物体质量成正比的。
物理学中科学研究方法的诞生与发展为物理学提供了巨大的动力,促进了物理学的发展。因此,我们不能忽略方法的重要性,好的方法就像一盏明灯指引着探索与发现。
参考文献:
[1]郭奕玲 沈慧君 物理学史(第二版)
[2]梅森 自然科学史
[3]郭奕玲 林木欣 沈慧君 近代物理发展中的著名实验
一、实验方法
物理学是一门以实验为基础的科学,物理规律的发现及建立,必须依靠科学实验为基础。物理实验是人们根据研究和学习的目的,利用物理仪器、设备等物质手段,人为控制、变革或模拟物理现象,排除各种偶然次要因素的干扰,突出主要因素,在有利的条件下重复地研究物理现象及其规律。
物理实验具有以下几个特点:第一,物理实验能使研究对象以较为纯粹的状态出现。利用各种手段将研究对象从复杂的自然联系中分离出来,人为地排除各种偶然次要因素的干扰。第二,物理实验可以强化观察对象的条件。通过实验手段创造出超高压,超真空,超磁场,超低温等自然状态下难以出现的特殊条件,就能进一步认识新的现象,新的特征。第三,物理实验可以使观察对象重复出现。自然现象受时空限制,有的周期长,给观察带来困难。
早在17世纪上半叶,物理学中就提出了光速的传播速度是否有限的问题。当时笛卡儿认为是无限的,而伽利略认为是有限的。这样就有一个如何测定光速的问题。最初想在地面上用实验方法测定,但未能成功。
伽利略的实验是,在A、B两地各有一人手持信号灯,当A打开信号灯,把灯光信号传到B后,B立即再将信号传回A,测量整个过程所需的时间。当时A、B距离为1英里。但实验未给出准确的时间差,以失败告终。后来他提出利用天文学的办法测定光速。
惠斯通于1834年提出用旋转镜来测量电火花持续的时间,由此来测量光速。但由于这种方法要求镜子必须具备每秒转动1000多次的速率,所以当时并未成功。但这个基本方法给斐索和傅科以启事。
二、理想模型方法
在研究物理学问题时,为了更好地认识物理现象、本质和规律,更具研究对象和研究重点的不同,对研究对象进行概括性和形象化的处理,舍弃次要的非本质因素后,只包含主要的本质因素的载体叫做物理模型。
理想模型的建立为物理学的发展提供了动力和引起了巨大的推动作用。首先,理想模型可以使问题处理大大简化,而且不会发生大的偏差。其次,理想模型突出了物质结构原型的本质特征,便于进行逻辑思维和发挥想象力。再次,利用理想模型的某些相似性,适当地进行类比是一种重要的研究问题的方法。最后,从理想模型与实际模型的差异中可以得到新的启示,产生新的科学预见。
自1897年发现原子后,汤姆逊就认为电子是原子的一部分,并提出了“均匀模型”,也称为“葡萄干面包模型”。这一设想认为正电是一个均匀球体,而电子则均匀地分布在正电球体中。同一时期,法国的皮兰提出了“原子结构可能具有行星式结构”德国的勒纳也提出了“行星式模型”。
直到1909年,卢瑟福的两位助手盖革和马斯登,在卢瑟福的指导下,做了粒子散射实验,发现了大角度散射,即有的粒子的散射角可超过。实验结果,发现8000个粒子中就有1个粒子发生大角度散射。因此,卢瑟福意识到,要解释这一大角度散射的结果,只有正电子集中在一个很小的范围内,由于库仑静电斥力,才能使粒子产生大角度散射。于是在1911年,卢瑟福提出了“原子的有核模型”,认为正电子集中在核内,电子绕核运动,而估算核的大小为m。可见,理想化模型方法在物理研究过程中所起到的作用是不可替代的。
三、假说方法
假说是人们根据已有的事实材料和科学原理,对尚未认识的自然现象及其规律尝试性的提出的假定性解释,它是自然科学中建立理论的桥梁。但提出一个假说和产生一个想法是有区别的,假说一定具有比较完整的结构,它往往从很多想法中选择出来并经受初步检验。
假说方法在物理问题的解决上具有不可替代的作用。首先,假说使物理学研究具有自觉性,减少盲目性。其次,假说使发现新事物,建立新概念、新理论的桥梁。最后,错误假说有时也有积极意义,在其验证过程中甚至会有以外的发现。
“分子电流”的概念是由法国科学家安培提出的。他提出了这样的假说:“组成磁铁的最小单元(磁分子)就是环形电流。若这些分子环流定向地排列起来,在宏观上就会显示出N、S极来。”安培长期从事电流之间力的研究的目的是想用电流解释所有电磁现象。
从现代物理学的观点看,安培的分子电流假说不尽正确,但在当时能提出这样的假说,是十分大胆的尝试,是一种创新。安培把一切电磁作用简化为电流之间的相互作用,开创了电动力学的新纪元。
四、类比方法
类比方法是根据两个或两类对象之间在某些方面的相似或相同而推出他们在其他方面也可能相似或相同。由于类比方法是就两个或两类特殊对象的比较,而推出相关的某一特殊对象的结论,所以类比过程是一个由特殊到特殊,由此物及彼物,由此类于彼类的过程。
法国物理学家库仑曾用扭称进行了测定电荷之间排斥作用与电荷距离的关系的实验。通过实验,库仑得出结论:两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这两球中心的距离平方成反比。但实际上库仑的实验结果精确度并不高,用平方反比关系,其指数偏差为4%.显然库仑借鉴了万有引力定律,事先有了平方反比的概念,才会得出这样的结论。另外,库仑并没有进行改变电量的实验,而是说“假说的前一部分无需证明”。显然他是在模仿万有引力定律,因为万有引力定律是与相互作用的两物体质量成正比的。
物理学中科学研究方法的诞生与发展为物理学提供了巨大的动力,促进了物理学的发展。因此,我们不能忽略方法的重要性,好的方法就像一盏明灯指引着探索与发现。
参考文献:
[1]郭奕玲 沈慧君 物理学史(第二版)
[2]梅森 自然科学史
[3]郭奕玲 林木欣 沈慧君 近代物理发展中的著名实验
- 【发布时间】2018/6/4 17:53:27
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