物理学的基本研究方法

粒子在磁场中画出的美丽曲线

   物理学是一门理论与实验密切结合的学科,它的每一个原理和定律,都是在对大量实验事实和所测得的数据进行分析、处理和总结之后提出的。所谓物理现象的规律性就是由这些原理、定律或定理来反映的,而物理学原理、定律和定理则表征了相应物理现象中若干物理量之间的关系。所以,对于一个现象或一个过程,物理学常常根据实验、观测去寻找或定义一定的物理量,再通过实验、观测去确定这些物理量之间的联系。有些比较复杂的现象或过程,常常为分析的方便,将主要矛盾突出,将次要矛盾忽略,而代之以一个理想化的模型,从中得出现象或过程的规律。然后,将所得规律再回到实验中去,与实验结果相比较,观察其正确程度,并进行必要的修正。诸如质点、刚体、完全弹性碰撞、理想流体、理想气体、简谐振动、简谐波、点电荷、可逆过程和黑体等,都是为此目的而引入的理想化模型。实践表明,这是一种科学的、成功的研究方法。

    引入或定义一个物理量,必须做到两点,一是规定一种测量这个物理量的方法或标准,二是给它规定一种量度的单位。目前国际上已选定了七个物理量作为基本量,规定了它们的测量方法和单位,在此基础上建立了国际单位制( SI )。物理学中其他量的单位都是基本单位的导出单位。

  从数学角度而言,在基础物理课程中物理量大致可分为两类,其中一类是标量,在这类物理量中还可以分成两种,一种只具有正值,如质量、速率、动能、温度和频率等。另一种则既有正值,也有负值,如电流强度、电动势、功和电量等。标量物理量的计算遵从代数运算定则。另一类是矢量,这类物理量不仅有大小的不同,还有方向的差异,如力、位移、电场强度和能流密度等。矢量物理量的计算遵从平行四边形定则。当某矢量物理量只具有正、反两个方向时,可以把它看作为标量,并可用代数法则进行运算。但在一般情况下,必须注意矢量物理量的方向性。在物理学中还会遇到一种被称为张量的物理量,它是在一定坐标系之下由若干个数值组成矩阵来表示的物理量,如各向异性的电介质的极化率、铁磁质的磁化率和弹性体的应力等,它们遵从矩阵的运算法则。张量物理量在一般基础物理教材中涉及甚少。

  鉴于物理学的自身特点,学习物理学必须正确理解物理学理论和概念,掌握现象和过程的物理图象,弄清定律和定理的成立条件、适用范围和应用方法。通过物理课程的学习,可以在实验研究能力、计算演绎能力和抽象思维能力等方面得到严格训练,从而提高提出问题、分析问题和解决问题的本领。

    在物理学所研究的物质运动形态中,机械运动是最简单的,而且理解和掌握它的规律,是深入学习物理学的基础。所以,本着由浅入深、由简单到复杂作法,大家的课程也就从讨论机械运动开始,然后逐步对振动和波动、分子物理学、电磁学、光学、量子力学、热力学和统计物理学、原子、原子核和粒子物理学等进行讨论和学习。

       
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