高中物理 物理九大思想方法教學(xué)參考素材

1、物理九大思想方法 觀察人們通過感官或借助儀器，有計(jì)劃、有目的的地對(duì)客觀事物進(jìn)行系統(tǒng)考察和描述，這就是觀察的方法。觀察是人認(rèn)識(shí)自然的最基本的方法，是獲得感知、為建立科學(xué)理論提供原始資料的重要途徑和手段。說明：（1）有明確的研究對(duì)象和觀察目的。如英國(guó)物理學(xué)家，法拉第花了整整10年時(shí)間尋找轉(zhuǎn)磁為電，終于觀察到了當(dāng)把磁鐵插入繞有線圈的空心紙筒時(shí)，和線圈連接的電流計(jì)指針發(fā)生了擺動(dòng)，由此發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。（2）綜合運(yùn)用感官，并借助科學(xué)儀器考察研究對(duì)象。例如觀察回音-聲波的反射及其產(chǎn)生的條件，要憑聽覺和視覺-觀察鐘表顯示的時(shí)間差或測(cè)量聲源和反射物的距離。利用超聲波進(jìn)行水下目標(biāo)探測(cè)時(shí)需借助儀器-聲吶，且憑聽覺同

2、時(shí)觀察熒屏上顯示的回波信號(hào)來確定水下目標(biāo)的位置。（3）力求全面地把握研究對(duì)象的各種屬性，并以科學(xué)理論判斷和理解觀察結(jié)果。例如英國(guó)植物學(xué)家布朗在顯微鏡下觀察到懸浮在水中的花粉粒子和無生命的煙煤粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，但未能正確地解釋其原因。人們?cè)谥貜?fù)的觀察中還發(fā)現(xiàn)粒子越小、溫度越高，粒子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的程度越明顯。隨著分子運(yùn)動(dòng)論的發(fā)展，人們才認(rèn)識(shí)到粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)是它們受到來自各個(gè)方向的液體分子的碰撞不平衡所引起的。（4）系統(tǒng)地、全面地、如實(shí)地考察自然事物，準(zhǔn)確而周密地記錄事實(shí)，并加以統(tǒng)計(jì)和概括，為揭露事物和自然現(xiàn)象的本質(zhì)及其規(guī)律提供科學(xué)的依據(jù)。例如德國(guó)的天文學(xué)家開普勒在丹麥天文學(xué)家第谷積累30多年的高度

3、精確的大量天體觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)火星軌道進(jìn)行周密計(jì)算與觀測(cè)，摒棄了哥白尼提出的行星圓軌道運(yùn)行的假定，提出了行星沿橢圓軌道繞太陽運(yùn)行等著名的行星三大定律。測(cè)量從量的方面對(duì)事物進(jìn)行考察的一種研究方法，是量的觀察。其目的在于深刻地、精確地把握事物質(zhì)的特征及其數(shù)量的關(guān)系。物理學(xué)中要研究事物的規(guī)律性，就需要對(duì)各物理量，如長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度、電流強(qiáng)度、發(fā)光強(qiáng)度，進(jìn)行考察和測(cè)量。說明： （1）要有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。1971年第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)在1960年通過的國(guó)際單位制（SI）的基礎(chǔ)上，決定用7個(gè)基本單位：長(zhǎng)度單位米，質(zhì)量單位千克，時(shí)間單位秒，熱力學(xué)溫度單位開爾文，電流強(qiáng)度單位安培，物質(zhì)的量單位摩爾和

4、發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉。有了這些基本單位就可以得出所有的導(dǎo)出單位?；締挝缓蛯?dǎo)出單位就是進(jìn)行科學(xué)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。 （2）必須建立在研究對(duì)象有比較深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)之上。因?yàn)橐M(jìn)行量的觀察，首先應(yīng)明確表明研究對(duì)象的特征和屬性，然后考慮盡可能提高測(cè)量精度的測(cè)量手段（儀器、裝置）。例如要研究從斜面上加速下滑下的物體的運(yùn)動(dòng)是否屬勻變速直線運(yùn)動(dòng)，首先應(yīng)知道勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特征是加速度恒定，做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的物體在相鄰的相等時(shí)間內(nèi)的位移差是一定值。在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄數(shù)據(jù)，用毫米刻度尺測(cè)量各段相等時(shí)間內(nèi)的位移，然后求出在相鄰的相等時(shí)間內(nèi)的位移差。根據(jù)位移差是否是定值，來判斷物體的運(yùn)動(dòng)是否屬勻變速運(yùn)動(dòng)直線

5、。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，長(zhǎng)度的精確測(cè)量是至關(guān)重要的。推理由已知一個(gè)或幾個(gè)判斷為前提，得出作為結(jié)論的新的判斷的思維過程就是推理。在推理過程中，已知的判斷叫前提，推出新的結(jié)論叫推論，把真實(shí)的前提和推論之間的必然聯(lián)系叫做推理依據(jù)。一切推理都是由前提、推論和推理根據(jù)3部分組成的。說明：（1）推理按前提的數(shù)量來區(qū)分，有直接推理和間接推理兩種。只有一個(gè)前提的推理是直接推理。例如帶電導(dǎo)體在達(dá)到靜電平衡時(shí)，即電荷無宏觀移動(dòng)時(shí)，可以直接得出兩個(gè)推論：導(dǎo)體是一等電勢(shì)體，導(dǎo)體表面是一等電勢(shì)面；導(dǎo)體表面附近電場(chǎng)中的電場(chǎng)線（電力線）必和導(dǎo)體表面垂直。有兩個(gè)或兩個(gè)以上的前提的推理是間接推理。例如金屬能導(dǎo)電，銅是金屬，所以銅能夠?qū)?/p>

6、電。（2）根據(jù)推理的思維進(jìn)程的方向不同，又有歸納推理、演繹推理和類比推理等幾種。歸納推理是根據(jù)對(duì)某種事物中的個(gè)別現(xiàn)象的考察，所作出的關(guān)于該類事物的一般規(guī)律性的結(jié)論的新知的推理。歸納推理是一種擴(kuò)大知識(shí)的方法。例如牛頓根據(jù)開普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律，把天體間的力和地球使月球沿軌道運(yùn)動(dòng)的力及使地面附近物體墜落的力聯(lián)系起來，歸納得出萬有引力定律。 演澤推理是根據(jù)已知的一般原理，推知某個(gè)從屬于該類事物的特殊事物的情況的新知推理。演澤推理是一種必然性的推理。例如已知帶電粒子在電場(chǎng)作用下能作定向運(yùn)動(dòng)，可以推知金屬內(nèi)部自由電子在電場(chǎng)力作用下能作定向運(yùn)動(dòng)，所以金屬能導(dǎo)電；電解質(zhì)溶液和電離了的氣體中存在離子，所以，它們

7、在電場(chǎng)作用下也能導(dǎo)電。歸納推理是從個(gè)別到一般，因?yàn)閭€(gè)別之中包含著一般，所以通過個(gè)別可以認(rèn)識(shí)一般。演澤推理是從一般到個(gè)別，因?yàn)橐话愦嬖谟趥€(gè)別之中，某類事物共有的屬性，其中每一個(gè)別事物必然都具有，所以，從一般必然能推知個(gè)別。歸納和演澤這兩種推理形式是從們對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的兩種對(duì)立的認(rèn)識(shí)方法的總結(jié)，它們既是對(duì)立的，又是統(tǒng)一的，缺少任何一個(gè)方面都不能認(rèn)識(shí)真理。類比推理是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象（或事物）具有一系列相同的屬性一，而且已知其中一個(gè)對(duì)象（或事物）還具有其他的屬性，由此推出另一個(gè)對(duì)象（或事物）也具有同樣的其他屬性。例如科學(xué)家利用光譜分析首先確認(rèn)在太陽大氣中存在氦。由于太陽上的其他元素，如氫、氧、氮、硫、磷、鉀，

8、地球上都有，于是就類推地球上也可能存在氦，后來果然在地球上找到了氦元素。但類比推理的結(jié)論是或然的，因?yàn)橥评淼母鶕?jù)并不充分。例如火星和地球相比較，發(fā)現(xiàn)它們有許多屬性是相同的，地球上有生命，于是就推測(cè)火星上出可能有生命。但迄今為止，包括利用降落在火星上的探測(cè)器在火星表面上所進(jìn)行的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，并沒有發(fā)現(xiàn)火星上有生命存在的跡象。這表明類比推理的結(jié)論，有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。類比根據(jù)兩個(gè)研究對(duì)象在某些屬性或特征上的相似或相同，從而推斷出這兩個(gè)研究對(duì)象在其他屬性或特征上也可能相類似的研究方法。自然界中的事物和現(xiàn)象盡管是千差萬別的，但在一些事物或現(xiàn)象之間，往往具有某些相類似的屬性或特征。采用類比方

9、法，就可用已經(jīng)認(rèn)識(shí)了的事物和現(xiàn)象為人們研究還沒有認(rèn)識(shí)的并且與之相類似的事物和現(xiàn)象提供類似的說明。例如，法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲈诶门しQ裝置作了測(cè)定兩個(gè)帶電球體之間的相互作用力的大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用與萬有引力定律類比的方法，提出了兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的作用力跟電量成正比、跟它們之間的距離的平方成反比的假設(shè)。事實(shí)上當(dāng)時(shí)還沒有確定電荷數(shù)量的單位，且受儀器測(cè)量精度的限制，庫(kù)侖提出這一假設(shè)純粹是采用了類比法，當(dāng)然，后來被理論和進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。又如法國(guó)物理學(xué)家德布羅意在光的波粒二象性的啟示下，采用類比法提出一切微觀粒子都具有波粒二象性的假設(shè)，并從理論上建立了粒子與波動(dòng)的聯(lián)系。這一假設(shè)后來為電子射線通過晶體時(shí)與用倫

10、琴射線通過同一晶體時(shí)一樣能產(chǎn)生完全相似的衍射圖樣而得到證實(shí)。以后的許多實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，不僅電子具有波動(dòng)性，其他微觀粒子，如質(zhì)子、中子、中性原子、分子也同樣具有波動(dòng)性。假說以客觀事實(shí)和科學(xué)原理為基礎(chǔ)的對(duì)于各種未知事實(shí)（包括現(xiàn)象間的規(guī)律性聯(lián)系、事物的存在或產(chǎn)生原因、未來事件的出現(xiàn)等）的猜測(cè)，這就是科學(xué)的假說。它是科學(xué)研究工作者最重要的思維方法。說明：（1）假說具有推測(cè)的性質(zhì)。例如關(guān)于太陽系起源的各種假說，其中最有影響的是德國(guó)哲學(xué)家康德提出的“原始星云說”。（2）假說的基礎(chǔ)是客觀事實(shí)和科學(xué)原理。近20年來，科學(xué)家們根據(jù)30年代觀察到的遙遠(yuǎn)星系所發(fā)出的光的紅移現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹和冷卻等事實(shí)，認(rèn)為星云不

11、是“原始”就有的，而是經(jīng)過一次“大爆炸”后才逐步形成的，提出了關(guān)于宇宙起源的新的假說。又如分子運(yùn)動(dòng)論是人們?cè)趯?duì)擴(kuò)散現(xiàn)象、布朗運(yùn)動(dòng)等大量客觀事實(shí)觀察的基礎(chǔ)上提出的關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種假說。（3）假說是人們的認(rèn)識(shí)接近客觀直理的方法。例如關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)，歷史上許多科學(xué)家曾經(jīng)先后提出了對(duì)立的不同假說。牛頓對(duì)光的反射、折射、色散等現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為光是由發(fā)光體射出的微粒所組成，后人稱為“光的微粒說”，但“微粒說”無法解釋光的衍射和干涉現(xiàn)象。惠更斯在長(zhǎng)達(dá)15年的時(shí)間里，研究了光的反射、折射、衍射等現(xiàn)象，認(rèn)為光和聲現(xiàn)象相似，是在一種特殊彈性物質(zhì)（以太）中傳播的彈性機(jī)械波動(dòng)，他所建立的“惠更斯原理”

12、是“光的波動(dòng)說”的核心。麥克斯韋在研究電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上推算出電磁波的傳播速度恰等于光速，由此推斷光也是一種電磁波。愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)，把普朗克提出的輻射能量不連續(xù)量子化概念推廣到輻射的傳播過程中，提出光量子假說，認(rèn)為光輻射也是以一束一束能量形式存在的。運(yùn)用光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)。光的“微粒說”、“波動(dòng)說”、“電磁說”和“光子說”的先后提出，反映了人們從不同側(cè)面對(duì)光的本性認(rèn)識(shí)的逐步深入，而且新提出的假說總比原先的假說更接近事實(shí)本身。從光既具有粒子性又具有波動(dòng)性的事實(shí)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。實(shí)驗(yàn)為了能夠仔細(xì)觀察研究某一現(xiàn)象（或過程）發(fā)生的原因、特點(diǎn)、量的決定因素和規(guī)律，

13、盡可能排除外界各種干擾的影響，突出主要因素，在一定條件下使這一現(xiàn)象（或過程）重演。這就是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法。說明：（1）實(shí)驗(yàn)是建立理論的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)理論的標(biāo)準(zhǔn)。（2）在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，根據(jù)不同的研究目的，一般有以下幾種類型的實(shí)驗(yàn)：決斷性實(shí)驗(yàn)：判定某種因素是否存在，某些因素間有無聯(lián)系，決定某些假定或設(shè)想的取舍等的實(shí)驗(yàn)。模擬實(shí)驗(yàn)：限于時(shí)空條件或觀察條件無法直接進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，用人為方法創(chuàng)設(shè)一定條件模擬實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)：研究不同的條件與環(huán)境對(duì)事物的發(fā)展與變化造成的差異的實(shí)驗(yàn)。析因?qū)嶒?yàn)：探索影響某一現(xiàn)象的發(fā)生和變化過程的主要原因的實(shí)驗(yàn)。在中學(xué)物理教學(xué)中，根據(jù)不同的教學(xué)目的和要求，一般有以下幾種

14、類型的實(shí)驗(yàn)：探索性實(shí)驗(yàn)：研究某些物理規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。例如研究杠桿平衡條件、研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)安排在有關(guān)知識(shí)的教學(xué)之前進(jìn)行，或可作為教學(xué)并進(jìn)實(shí)驗(yàn)。其目的是讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)尚未學(xué)過的知識(shí)有一感性認(rèn)識(shí)，并可歸納得出初步結(jié)論，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)規(guī)律打下基礎(chǔ)。同時(shí)，探索性實(shí)驗(yàn)具有讓學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”規(guī)律、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)求實(shí)精神與科學(xué)方法的功能。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證某些物理定律的實(shí)驗(yàn)。例如驗(yàn)證牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律、驗(yàn)證玻意耳定律的實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)安排在學(xué)習(xí)過有關(guān)知識(shí)之后進(jìn)行，要求學(xué)生定量分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中得出結(jié)論，并與所驗(yàn)證的定律作比較，以達(dá)到驗(yàn)證目的。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)論與物理定律有偏離，還應(yīng)分析產(chǎn)生誤差的主

15、要原因?；居?xùn)練性實(shí)驗(yàn)：熟悉某些基本測(cè)量?jī)x器的操作與使用的實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)的目的是訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)操作技能。在初中有長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、溫度、電流（強(qiáng)度）等基本物理量的測(cè)量以及串、并聯(lián)電路的連接等基本操作的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)涉及刻度尺、天平、停表、溫度計(jì)、電流表等儀器的使用。在高中則有游標(biāo)卡尺、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、多用表、示波器等儀器的使用。進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格強(qiáng)調(diào)各種儀器的操作規(guī)范，務(wù)必使學(xué)生學(xué)會(huì)正確操作和使用，面對(duì)儀器的工作原理則不需詳細(xì)闡述。測(cè)定物理常數(shù)和物理量的實(shí)驗(yàn)：為測(cè)定某一物理常數(shù)或物理量而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生運(yùn)用已經(jīng)學(xué)生的知識(shí)和熟悉的器材，測(cè)定某些物理常數(shù)和物理量。例如測(cè)定物質(zhì)的密度、不

16、，測(cè)定重力加速度、測(cè)定介質(zhì)的折射率的實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的原理，明確實(shí)驗(yàn)的條件、步驟和過程。由于受器材和實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)所測(cè)定的量的準(zhǔn)確程度一般不作過高要求。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：根據(jù)目的要求自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ囊筝^高，教學(xué)大綱中對(duì)此一般不作具體規(guī)定。這類實(shí)驗(yàn)可在高年級(jí)總復(fù)習(xí)階段適當(dāng)開設(shè)。例如初中，在學(xué)生理解串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)，并熟悉電流表和電壓表使用的基礎(chǔ)上，可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)只用電表和一個(gè)已知電阻來測(cè)量另一個(gè)未知電阻的實(shí)驗(yàn)；在高中，可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證反沖運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)量守恒等實(shí)驗(yàn)。數(shù)學(xué)方法在科學(xué)研究中針對(duì)研究對(duì)象不同的特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)學(xué)概念、方法和技巧，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行量的

17、分析、描述、計(jì)算和推導(dǎo)，從而找出能以數(shù)學(xué)形式表達(dá)事物的量的規(guī)律性的方法。16世紀(jì)以后，物理學(xué)逐漸發(fā)展成為一門成熟的自然科學(xué)，它不僅用實(shí)驗(yàn)方法代替了以往整體的觀察法，而且引進(jìn)了數(shù)學(xué)方法。例如伽利略的自由落體定律、開普勒的行星運(yùn)動(dòng)三定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律等，近代物理學(xué)研究由宏觀領(lǐng)域深入到微觀領(lǐng)域，根據(jù)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的新事實(shí)建立了許多與經(jīng)典理論完全不同的新理論，而這些理論的建立都是在數(shù)學(xué)方法的幫助下完成的，例如麥克斯韋建立的電磁理論，并運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法推導(dǎo)，預(yù)言了電磁波的存在；物理學(xué)研究進(jìn)入微觀高速領(lǐng)域之后，所產(chǎn)生的相對(duì)論和量子力學(xué)，都是采用數(shù)學(xué)方法作為表達(dá)形式。物理學(xué)的發(fā)展是和數(shù)學(xué)方法

18、的運(yùn)用分不開的。說明：（1）數(shù)學(xué)方法為科學(xué)研究提供簡(jiǎn)明精確的形式化語言。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究事物規(guī)律，對(duì)量與量之間的關(guān)系、量的變化以及在量之間進(jìn)行分析、比較、推導(dǎo)和運(yùn)算時(shí)，都是以符號(hào)形式（包括圖象、圖表）表示的，也就是運(yùn)用一套形式化的語言。這種簡(jiǎn)潔、明確、嚴(yán)密的數(shù)學(xué)語言已日益透到各門科學(xué)中去，成為表達(dá)科學(xué)概念和科學(xué)理論的重要形式和手段。用簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)公式、數(shù)學(xué)符號(hào)系統(tǒng)、形式化的語言表達(dá)自然規(guī)律以及規(guī)律和復(fù)雜現(xiàn)象的聯(lián)系，才能在科學(xué)研究中進(jìn)行定量描述和理論概括，反映自然規(guī)律的普遍性。（2）數(shù)學(xué)方法為科學(xué)研究提供數(shù)量分析和計(jì)算方法。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法可以通過認(rèn)識(shí)事物的量來認(rèn)識(shí)物質(zhì)的規(guī)定性。例如開普勒根據(jù)第谷積累

19、的大量關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)資料，應(yīng)用圓錐曲線理論，經(jīng)過大量演算，建立了行星繞日變速運(yùn)動(dòng)的橢圓軌道模型，終于發(fā)現(xiàn)了行星到太陽的距離R跟行星繞日運(yùn)行的周期T間的關(guān)系R3/T2K（恒量）。（3）數(shù)學(xué)方法為科學(xué)研究提供邏輯推理的工具。在科學(xué)研究中，數(shù)學(xué)方法是一種有效的進(jìn)行推理和邏輯證明的工具，是建立科學(xué)理論體系的一個(gè)有效手段，且具有預(yù)見性。例如法國(guó)天文學(xué)家勒威耶根據(jù)天王星的運(yùn)動(dòng)軌道，與根據(jù)萬有引力定律計(jì)算出來的結(jié)果總有比較大的偏離，便應(yīng)用天體力學(xué)理論結(jié)合數(shù)學(xué)的分析和計(jì)算，預(yù)測(cè)天王星軌道外面存在一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星，并精確計(jì)算了該行星的運(yùn)動(dòng)軌道以及它在各個(gè)時(shí)刻的位置。1846年9月23日晚上，德國(guó)天文學(xué)家加

20、勒把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了勒威耶所預(yù)言的位置，立刻發(fā)現(xiàn)了后來被命名為海王星的這顆行星。又如電磁波的存在并預(yù)言了它以光速傳播，是由麥克斯韋用數(shù)學(xué)推導(dǎo)出來的，15年后才由德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)；愛因斯坦通過質(zhì)能關(guān)系式Emc2的研究，預(yù)示了原子核反應(yīng)中質(zhì)量虧損所產(chǎn)生的巨大量。以上事實(shí)表明，自然科學(xué)中的許多重要結(jié)論都是根據(jù)已知原理，運(yùn)用數(shù)學(xué)的運(yùn)算、交換法則，經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理證明后得到的?？刂谱兞扛鶕?jù)研究目的、運(yùn)用一定手段（實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備等）主動(dòng)干預(yù)或控制自然事物、自然現(xiàn)象發(fā)展的過程，在特定的觀察條件下探索客觀規(guī)律的一種研究方法。自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象往往是錯(cuò)綜復(fù)雜的，并且被研究對(duì)象往往不是孤立的，總是處于與

21、其他事物和現(xiàn)象的相互聯(lián)系之中，因此影響研究對(duì)象的因素在許多情況下并不是單一的，而是多種因素相互交錯(cuò)、共同起作用的。要想精確地把握研究對(duì)象的各種特性，弄清事物變化的原因和規(guī)律，單靠自然條件下整體觀察研究對(duì)象是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須對(duì)研究對(duì)象施加人為的影響，造成特定的便于觀察的條件，這就是控制變量的方法。例如在研究氣體的溫度、體積、壓強(qiáng)這3個(gè)狀態(tài)變量之間的關(guān)系時(shí)，必須設(shè)法把決定氣體狀態(tài)的一個(gè)量或兩個(gè)量用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較、研究其他兩個(gè)變量之間的關(guān)系。在進(jìn)行觀察時(shí)，首先把研究對(duì)象限定為一定質(zhì)量的氣體，然后研究在溫度恒定的條件下，它的體積跟壓強(qiáng)的關(guān)系，得出了玻意耳定律。如果使一定質(zhì)量氣體的體積（或壓強(qiáng)）保持不變，研究它的壓強(qiáng)跟溫度的關(guān)系（或體積跟溫度的關(guān)系），便得出了查理定律了（或蓋呂薩克定律）。這三個(gè)定律都是用控制變量的方法得出的描述一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)量之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)定律，為建立理想氣體模型、推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在研究物體的加速度跟所受的外力和物體質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，也采用了控制變量的方法。如先研究物體質(zhì)量不變時(shí)，在大小不同的外力作用下，物體的加速度跟外力的關(guān)系；再研究在相同大小的外力作用下，物體的加速度跟質(zhì)量的關(guān)系。這就是著名的牛頓第二定律。理想模型人們?cè)谟^察自然現(xiàn)象時(shí)，常會(huì)發(fā)現(xiàn)要研究的對(duì)象中的一些性質(zhì)，對(duì)于現(xiàn)象的過程及