论高中物理科学思维方法

论高中物理科学思维方法

东北师范大学物理系黄德宁

2008年5月中文摘要：掌握物理学研究的科学思维方法，不管对于当前的学习还是为了今后的学习和工作，都是十分重要的。试验方法是检验物理理论的依据；为了得到简洁的物理规律，我们将实际问题采用理想化方法去研究；掌握了等效方法的应用，又有助于提高学生的科学素养；学会逻辑思维能使我们避免逻辑错误，获得新知识；但是非逻辑思维同样也是一束绚丽的思维逻辑之花；而数学方法则是表述物理规律的最精辟的语言。高中物理中所包含的科学思维方式丰富而巧妙，我们在学习物理知识的同时也要体验物理思维的力量。

关键词：科学方法物理逻辑思维

英文摘要：Not only for our present learning bot also for the future study and work ,it’s extremely important to master the scientific thinking methods of physical research .The experimental method is the basis to prove physical theories . In order to get concise physical rules , sometimes we should use ideal method to studay those practizal problems . At the same time , once the application of equivalent method is grasped , it’ll help to improve the scientific attainments of the students . If we learn the logical thinking method , we will avoid logical mistakes and obtain new knowledge ; while not logical thinking is also a bunch of radiant flowers in the scientific thought garden . Furthermore , it is mathematical method that is the pithiest language to represent those physical rules .

In all , the scientific thinking methods included in physics of high school are adundant and ingenious . When we are learning physical knowledge , we shouid experience the power of it’s thought as well .

Key words: scientific methods , physics , logical , thought.

正文：物理学是一门基础自然科学，他所研究的是物质的基本结构，最普遍的相互作用，最一般的运动定律以及所使用的实验手段和思维方式。高中学生在学习物理知识的同时，要用心领会物理学研究的科学方法。回顾一下物理学史，伽利略经过多年对运动的研究，创造出一套对近代科学的发展极为有益的科学方法。他把实验，思维和数学的方法完美的结合起来，有礼地推进了人类科学认识的发展，近代物理也逐渐加快了前进的脚步。可见，不管是对于当前学习，还是为了今后的学习和工作，掌握物理学向我们战士的科学思维方式都是十分重要的。1，实验方法------实验在物理学发展中的作用

物理学是一门实验科学，实验不仅是研究科学的一种重要手段，也是人类

科学思想的重要结晶。物理学家的任何新思维的正确与否和正确到何种程度均需要有实验来检验。

爱因斯坦1905年就提出了光电子理论直到1916年经试验物理学家密立根用实验检验后才得到人们的承认。时隔十六年，到1921年才办发这个项目的诺贝尔物理奖，可见物理学尊重实验并不屈就与权威。

理论是物理学的主体，理性认识源于感性认识，高于感性认识，更具有普遍性。然而，一种理论是否正确往往要通过实验的验证。例如麦克斯韦提出的电磁理论，尽管其方程优美对称，但人们还是难以置信。直到20多年后他预言的电磁波被赫兹实验验证后，这一理论才逐渐为人们所接受。也可见物理学并不单方面轻信理论的美妙，而需要与试验完美的结合。

纵观理论学三百余年的发展史，从伽利略开创的物理学研究的先河到麦克斯韦的电磁理论，从汤姆逊发现电子到卢瑟福a粒子散射试验等等，无一不是通过实验才获得成功的。

艺术家们说艺术是“囊括万殊，裁成一体”，物理学应该是“囊括万物，推成一理”。“囊括万物”的过程就是对世界上的万事万物进行观察，然后又通过实验验证，最后才推导其道理，形成了物理学的理论，逐步地成为体系的。

辩证唯物主义认为客观决定主观，认识客观的唯一方法是实践。对于物理学来说，那就是实验的方法。

2，理想化方法

一种物理运动总是要受到很多因素的影响。但是，在一定条件下，各种因素影响的程度并不相同，人们可以抓住其中的主要因素，忽略次要因素，并在这个基础上来研究问题，建立物理模型。这就是物理研究中的理想化方法。物理模型就是把实际问题理想化，否则我们就得不到简洁的物理规律。例如，我们学习自由落体运动，空气的阻力就是次要因素，不排除和忽略它们，就得不到简洁的落体定律。高中物理中理想化模型有质点,自由落体运动，弹簧振子，单摆，

理想气体，点电荷，纯电阻，理想变压器和点光源等。

在运用理想化方法时，那些因素是主要的不能忽略，哪些因素是次要的，可以忽略，是由实际情况所决定的，不能随人的主观想法对各种因素进行取舍。例如，指点是一个理想化模型，不必考虑形状和体积的物体可以当做质点。而同一个物体能否被看作质点，还要看研究他的什么问题。对于月球。如果研究他绕地球运动的轨道，可以看做质点，但研究月相问题，就必须考虑他的那半球受日光照射，又是哪半球面向地球，不能再把它当做质点了。有时，同一个问题里的物体，在他所发生的先后过程中，取舍的因素都可以不同。如果水平地面上的大炮发射炮弹的问题，为了使问题简单，假设炮筒水平。在发射炮弹时，由于火药的爆炸力很大，炮车和炮弹之间的相互作用力远远超过地面对炮车的摩擦阻力。因此，在这过程中，可以认为在水平方向上，他们不受外力，符合运动守恒的条件。但在炮弹射出后，炮车要后退，由于要受到地面的摩擦阻力，是他后退一段距离就停下来。发射炮弹时，爆炸力的作用是主要因素，有摩擦力，却不考虑，这是理想化方法。炮弹射出后，对炮车的运动来说，摩擦力已是它在水平受到的唯一的力，他完全决定炮车的运动，当然就不能在忽略不计了。如果再仔细分析这一问题，再爆炸力起作用时，炮车已经后退了，但是这段时间极短。因此在这段时间内移动的距离一般也不考虑，要计算炮车后退的距离只从炮弹射出后算起。

理想实验也是物理学研究中常用的方法。科学的探索和研究离不开建立一个理想模型，而理想模型和现实原型之间必定存在差异。理想模型是科学理论

和现实原型之间的必不可少的中介体，随着科学的发展，观察手段的进化，理想模型本身也在不断发展和进化。有意识的在实验中抛开一些次要的因素，创造理想化的条件。既突出了决定事物的主要因素，又运用了物理思维中的抽象与概括。

实例（一）“质点”理想模型的形成：通过观察一木块在力的作用下水平运动时，木块上的各点运动情况完全相同。一辆车在水平路上作直线运动，一桶水竖直上升，地球绕太阳旋转，绳拉小球作圆周运动等。对这些现象重新组合，发挥想象力，形成一个理想化模型------质点。即研究物体的运动情况时，物体的大小和形状可以忽略不计，抽象为只具空间位置和质量没有大小和形状的理想化模型-------质点。

实例(二)伽利略理想实验：研究小球从静止开始沿斜面下滑，后又延另一斜面上滑到停止。将实验条件理想化，认为小球运动中摩擦阻力可以忽略不计，小球应该在另一斜面上到达同一高度停止。而另一斜面的倾角0越小，小球滚到同样高度的运动的路程就越长，设想把另一斜面的倾角减为零度，成为水平面，小球永远到不了开始高度，只能永远滚下去。我们可以理解，伽利略如果没有千百次斜面上滚球的实验基础，没有大量的实实在在的观察和记录，他不可能设计出这个理想斜面实验。

实例（三）爱因斯坦的理想电梯实验：爱因斯坦假设有一个理想电梯，里装有各种实验仪器，还有一位物理学家在进行各种测量。当电梯相对于地球静止时，物理学家看到，电梯内物体受到一种力的作用，使他们落向地板，下落的加速度都一样，由此得出结论，这个电梯受到外界引力作用。现假设电梯从一个无限高的地方做自由下落运动。这是他将发现电梯内的物体却不再受原来那种力的作用，也不具有原来那种加速度，且可以自由的停留在空间。任何物理实验都不能使观察者看到引力的痕迹，即在电梯参照系中，引力全部消除了，由此爱因斯坦提出等效原理假说。

理想实验使人们在思想中塑造的一种物理过程，是进行逻辑推理的一种方法，大家也都知道，伽利略就是通过理想实验的方法，驳斥了长久以来被认为是天经地义的，亚里士多德的观点：“要使一个物体不断的运动，就要不断地加力”，揭示出“运动的物体一但不受外力的作用，就能保持其速度永远运动下去”这一基本规律-------惯性定律。

牛顿也曾通过理想实验研究了人造地球卫星的运行理论问题。他看到从地面同一高度，一水平速度，抛出去的物体，速度越大，射程就越大，于是他想：既然地球是球型的，那么当速度达到一定值v时，物体将绕地球运行，而不在落地。因为在牛顿的时代，还做不到一足够大的速度抛出物体，所以当时这是理想实验，是牛顿心中的一种物理过程，而今天却已变为现实，多级火箭能将物体送上高空，并使之已环绕速度进入轨道成为人造地球卫星，甚至飞到更遥远的太空。可见牛顿的理想实验超越了当时的技术水平，充分发挥了思维的作用。

理想实验方法在物理学其他领域的研究中，都有广泛的应用。在现代物理学中，这种方法也曾起到很大的作用。例如关于量子几率波的单电子衍射实验，最先是作为理想实验提出的。当时爱因斯坦等人认为这样的实验是不可能具体实施的，但是，在1949年前苏联物理学家完成了这个实验，观察到单电子的衍射。3，等效方法

把复杂的物理问题转化为同等效果的简单的，易于研究的物理问题来处理，叫做等效方法。等效方法亦称作“等效替代法”，是科学研究中常见的思维方法之一。掌握等效方法及应用、体会物理等效思想的内涵，有助于提高学生的科学

素养。等效方法是研究物理问题的又一重要方法。高中物理中体现出的等效思想方法有下面几种：

3.1模型等效：质点，理想气体，点电荷，自由落体运动，原子核结构模型等等。

3.2作用效果等效：力的合成与分解，速度、加速度的合成与分解；功与能量变换关系；电阻、电容的串并联计算。

3.3 过程等效：将变速直线运动通过平均速度等效为匀速直线运动；交流电有效值的定义；抛体运动等效为两个直线运动的合成等等。

例如，关于力的合成和分解，把几个力合成为一个力，这个合力并不存在，把一个力分解为两个力，这两个分力并不存在。说它们不存在是因为并没有一个物体对这个作为研究对象的物体施加这样的作用。要说它们存在也可以，那就是指存在这样的作用效果，所以它们都是等效力。要明确无论是合成力还是分解力，都是为了解决问题。因此都要结合具体情况决定具体方法。

4、逻辑思维方法

4.1 逻辑思维综述

思维是人脑对客观事物的间接的、概括的反应及反应过程。思维方法有逻辑思维方法和非逻辑思维方法，逻辑方法是指人们在思维过程中遵循思维规律以形成概念、做出判断和进行推理的方法，常常称为抽象思维。

人们进行思维，一定借助于一定的形式。“概念”、“判断”、“推理”都是思维形式。例如，我们说一个物体处于静止状态，因为静止状态的物体加速度为零，根据牛顿定律，加速度为零的物体，受的合力为零。由此可知，这个物体受的合力一定为零。

这里所说的物体是一本书、还是一块砖，还是什么别的，我们不知道。不管他是什么，我们用“物体”来代表他，“物体”是一种思维形式，这一类思维形式叫做概念。“这个物体受的合力一定为零”是由概念组成的另一种思维形式，这类思维形式叫做判断。“物体处于静止状态，加速度为零，加速度为零的物体受的合力为零。由此可知，这个物体受的合力一定为零”。这是由几个相关联的判断所构成的又一种思维形式，这类思维形式叫做推理。

在高中阶段，我们不系统地把逻辑作为一门学科来学习，而实际上，在任何一门学科的学习过程中，都时时刻刻在运用着逻辑思维方法，逻辑思维方法也是物理以及其他学科学习的一项重要内容，因为学会逻辑思维能使我们自觉地遵守生物规律，避免逻辑错误；能提高我们认识客观事物和获得新知的能力；能使我们无论是讲话还是写文章，条理清晰，结构严谨，有说服力；还能使我们善于发现别人的错误，给予反驳。

4.2 几种主要的逻辑思维方法

4.2.1 比较方法

比较法是认识事物的最基本的方法，无论在科学研究中，还是在日常工作中和生活中都要经常用到。

人们认识事物总是这样开始的，先由感官感受事物，然后把它们在头脑中进行比较，在比较中确定一事物与其他事物的相同点和不同点。比较法就是确定研究对象之间的同一性和差异性的逻辑方法。

很多物理概念是在和头脑中原有的概念比较形成或巩固的。例如：功的概念可以说来自日常生活中的“工作”概念，但它们之间又有明显的差别。

人们已经有了质量概念和体积概念之后，又测量出同体积不同物质的质

量不同，同种物质不同体积物体的质量与体积程正比，在这样的比较中，形成了密度概念。物质密度的大小等于单位体积物质的质量，但它不是质量，质量是物体的属性，而密度是物质的属性

人们已经有了位移概念和时间概念之后，对不同的运动进行比较，看到它们在相等时间内的位移，一般来说，大小和方向都不同，于是形成了速度概念，速度的大小等于单位时间内的位移，但他不是位移。

速度和速率是两个联系密切的概念，却又是两个不同的概念，前者是矢量。后者是标量，瞬时速度的大小等于瞬时速率。

磁通量、磁通量的变化、磁通量的变化率是三个相互联系的不同概念，要在比较中弄清每一个的涵义，才能掌握电磁感应定律。

其他如速度和加速度、质量和物体受的重力、动量和动能、功和能、电势能和电势、电势和电压，交流电流和电压的相位、干涉和衍射、质子和中子等等，都需要在比较中准确地识别它们的物理意义。

对于物理规律加以比较，能加强理解的记忆，如动量定理和动能定理、动能定理和功能原理，万有引力定律和库伦定律、振动图线和波形图线等等，都既要看到它们有相似的地方，更要看到它们的差别，看到它们各自不同的内容。

其他如测定性实验所得的结果要与公认值相比较来看误差的大小；验证假说是否正确（或考察理论是否适用新领域）都要用实验结果检验由假说（或理论）得出的结论等等，也都是用的比较法。比较方法也是类比方法的基础。

4.2.2 类比方法

类比方法也是物理学研究中常用的一种思维方法。

类比方法是将关于某一种物理现象或过程的知识推移到另一种物理现象或过程的思维方法，类比得出的结论仅仅是一种推测。

物理现象之间有相似的特性是使用类比方法的基础。因为往往他们的某些特性相似，其他特性也相似。17世纪惠更斯看到光能像机械波那样发生反射或折射，于是推测光也是一种波动。但是，这只是惠更斯关于光本性的假说----光的波动说，与惠更斯同时，牛顿看到光的直线传播像小球不受力时的运动一样，光的反射现象遵守的规律，像弹性球被桌面弹回一样，于是推测光是像弹性球似的微粒，为了解释光的折射现象，他又假设媒质界面有垂直于光微粒的作用力。这就是牛顿关于光本性的微粒说。这是两种用类比方法提出的假说，他们都有正确的可能性。17世纪提出的关于光的本性的两种学说是相互对立的。他们在解释光现象时各有成功的一面，也有不足之处。到了十八世纪，光的干涉，衍射等现象被发现，这些现象只能用光的波动说解释，光的波动说才能得到证实，牛顿的微粒说则被否定了。（关于光本性学说的进一步发展，这里不再讨论）由于电流和水流相似，于是提出与水压相似的电压概念，这是初中物理中介绍电压常用的方法，是类比法。

电势能的概念比较抽象，由于电厂和重力场具有共同特点，即场力做的功与路径无关，于是类比重力势能，提出电势能。类比电子等微观粒子和光子，德布罗意提出物质波概念。这种假说提出后两年，就为实验所证实。

为了进一步理解类比方法的应用，下面我们来看高中物理中的一道习题：例:两个完全相同的形体相距较远，在其连心线的中点处将一物体沿连心线垂直的方向抛出，不计任何阻力，则

A 该物体一定永远离开星体

B 物体最重要落在某一星体上

C 物体最终要停在抛出点

D 物体将再抛出点附近往复运动

解析：因为库伦定律和万有引力定律具有相似性，因此可以把两个星体视为两个固定的同种电荷，物体视为与星体异种电荷的带电体，则应该选择D 。

4.3.3分析方法

在物理学的研究中，常常需要把研究对象分为若干部分，若干层次，逐步的进行研究，这就是分析方法。

任何一个物理现象或过程，都受许多因素共同的影响，这些因素互相牵制，只有将他们逐个分离开，才容易接受每个因素的作用，这样才能对整体获得全面的认识。例如，对于一定质量的物体，它的体积V ，压强P 和温度T 三个状态相互牵制，如果他们同时都发生变化，就很难发现它们之间的关系。只能先保持其中一个参量不变，研究另外两个参量之间的关系，气体的状态方程就是在这样分析研究的基础上得出来的。

又如，研究一个质点的运动，根据牛顿第二定律，我们知道是质点受的合力决定它的加速度，那么这合理是那些里的合理呢?这是解决问题的关键。因此，对于这样的力学问题，总要从质点的受力分析开始，就是要先把每一个力弄清楚，才能考虑合力，进而考虑加速度。

抛体运动可以分解为两个直线运动，也是对运动进行分析所得的结果。

4.4.4综合方法

综合法和分析法恰好相反，他是要找出事物各个方面的联系，然后把它们结合起来进行考察研究的思维方法。因此，把握各部分或各层次的特性或规律，是综合的前提和准备，或者说，综合一定要以分析为基础，而且有分析就必须有综合，否则不能对事物获得完整的认识。

例如：运动的合成和分解总是相提并论的。力的合成和分解也是一样，一个动力学问题本身就是一个整体问题，往往要采用隔离法进行处理，这既是为了要了解各部分，但最终是要了解整体。对于一个仪器要了解他各部分的原理，最终要了解他的功能，并会使用它，这样的事例到处可见。事实上，对任何事物都是有综合才有分析，分析又是为了综合。

物理学的发展历史也充分体现分析和综合方法的结合，人们研究客观事件总是从具体问题入手的。由于对机械运动、热现象、电磁现象研究的日益深入，人们逐步认识到物质的运动是不灭的，于是十几位科学家同时总结出能量转化和守恒定律，他把力学、热血、电磁学以致化学生物学都贯通起来了。在电磁学方面，人们先后发现并研究了电现象、磁现象、电流的磁效应、电磁的相互作用、电磁感应等，麦克斯韦建立了电磁理论，不但把他们都融合成一体，还发展到光学领域，并为了无线电技术奠定了理论基础。

总之，有分析就必有综合，综合法和分析法一样是物理研究的重要方法。

5、数学方法

马克思认为，一种科学只有成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。数学是研究客观世界的空间形式和数量关系的科学，是人们从量的方面去认识客观事物的有效途径。物理学研究的数学方法是解决和说明物理问题时采用的有力工具。物理学的研究和应用，都要求它完全用数学表述出来，这是物理学自身的需要。

5.1数学是表述物理概念和物理规律最精辟的语言

例如，关于电磁感应现象的两个基础规律，法拉第电磁感应定律和楞次定律，

如果用文字表述，必须用很长的两句话，而数学公式 =-t

?ξ?? （严格的讲，

应该是 t 0=-lim

d t dt

ξ?→?ΦΦ=-?）可以完全说明它们的含义。 又如简谐振动的位移是怎样随时间改变的，如果不用数学方法——三角函数公式 sin x A t ω= 或正弦曲线图象，而要求用文字来说明这种变化规律，是难以想象的。

5.2只有用数学方法表述物理概念和物理规律，才能进一步运用它们进行分析、计算、推理、论证，获得新知识

例如，把牛顿二定律写成方程的形式 F m a =

21v v a t

-= 5.3实验是形成物理概念的法线、建立物理规律的基础，而实验本身也离不开数学

例如，有效数字问题，实验误差问题的处理都要用数学知识，大量的实验数据要经过数学整理，在经过分析、归纳，得出结论，最后要简明、准确地把它们表述出来，还要用数学方法。

5.4要运用物理知识解决实际问题，更需要借助于数学工具才能完成

在高中物理中要用的数学知识可以说是全部高中数学的内容：代数部分，如比例、线性方程、二次函数、指数、对数、正负号、数学归纳法、极限等。

三角部分，如三角函数方程。

几何部分，如解三角形。

解析几何部分，形数结合起来研究问题（建立直角坐标，用图像表示函数关系）等等。

无论是研究物理问题，还是应用物理知识解决实际问题，数学都是重要的方法和工具，是不可缺少的。反过来，在运用数学时要时刻想着这是在解决问题或处理物理问题。例如解方程得出的解，就要看看他是否具有物理意义，是否符合实际的物理过程；作图象如果不标出横纵坐标，就不能表示物理量之间的函数关系；正号和负号在不同地方有不同的含义，不能等同对待等等。

一个出色的物理学家往往都能掌握当时最深奥的数学工具，只有纯熟的运用数学工具，才能完整而准确地，以简明的形式陈述自己的物理观点。开普勒按火星轨道是圆形的，计算火星的运动。他把所得的结果同观测到的火星的材料对照时，发现了8弧分的误差，正是这一误差是他突破了的行星轨道是圆的的传统概念。随后又进行大量繁琐的计算和仔细的观测，才总结出火星运行轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。回顾一下物理学的发展史，不难发现重大物理理论的诞生，往往同当时新的数学工具的应用联系在一起。通过这些，可以使我们了解，在物理学家的研究中数学方法多么重要。对于学习物理来说，道理也是如此。

6、非逻辑思维方法-----直觉思维方法

长期以来逻辑思维一直被视为科学思维的唯一类型。然而，随着科学的发展，任恩逐渐认识到直觉思维等非逻辑思维方法在科学认识中的重要作用，它们同样是一束绚丽的思维科技之花。下面谈谈直觉思维方法。

直觉思维是以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物的物理性质，并迅速作出猜想突然顿悟的思维。

直觉在科学发现中具有极为重要的作用，例如，安培从电流磁效应现象直觉到磁的成因应是电流，提出了分子电流的假说，揭示了磁现象的电本质；当奥斯特的实验向世人表明，点可以产生磁时，物理学家们便直觉地意识到磁或许也能

生电。法拉第通过孜孜不倦得研究终于发现了电磁感应定律；德布罗意根据作为波动的科学假说，从而建立了物质波的重要概念；爱因斯坦更是一个具有极强直觉能力的科学大师，他在26岁和37岁时分别创立的狭义相对论和广义相对论，并不是在已有的理论体系基础上通过逻辑推理产生的，而是在很大程度上靠他自己丰富的想象力、直觉和灵感。对于直觉，爱因斯坦可谓推崇至极，他说：“物理学家的最高使命是要对得到那些普遍的基础定律，……..要通向这些定律。”因此，他明确提出：“我相信直觉和灵感。”

直觉思维的几个特征：

6.1突发性

直觉思维通常是由于受到某种因素的启发，以灵感的方式突然出现，在瞬间完成整个思维过程，得出结论。

6.2直接性

直接性是直觉思维的本质特征。首先，直觉思维不需要经过严谨的逻辑推理，而是联想、猜测和洞察力；其次，直觉思维并不按部就班的遵循逻辑规则，而往往通过逻辑规则的束缚，跳跃的进行。

6.3整体性（模糊性）

直觉思维往往是从事物整体入手，从整体上研究物理问题，它是对问题总体概略的反应，而对思维过程的细节往往模糊不清，不像逻辑思维那样去分析、综合、推理等。他从问题的已知的信息入手，以单刀直入的方式直接触及到问题的目标或问题的要害。

6.4或然性

直觉思维通常来源于对问题的直感，它要受到思维主体原有经验知识、审美情感、态度倾向等诸多因素的影响，但却缺乏逻辑上的支持。直觉思维的成果往往只是一种猜测，结论并不一定可靠，他是直觉思维局限的一面，其正确性需要考实验来检验。

我们无论是做人还是做事，都需要一定的思维方法、研究方法和工作方法。这些方法在人们一生中的各阶段、各环节、各方面无处不在。我们攀登成功之峰，不仅要有饱满的热情坚韧的毅力、卓越的胆识、勤奋的精神和踏实的态度，还要有科学的思维方法。高中物理中所包含的科学思维方法丰富而巧妙。我们在学习物理知识的同时，也要体验物理思维的力量。

参考文献：

【1】赵凯华、罗蔚茵。力学。北京：高等教育出版社，2004年，2---3页

【2】中华人民共和国教育部制定。普通高中物理课程标准（实验）。

北京：人民教育出版社，2003年1—3页。

【3】田世昆等。物理思维论。南宁：广西教育出版社，1999 ,56—59页。