物理研究方法綜述及其在材料物理研究中的應用

冷玉敏 孫寧 王安憶

【摘? ?要】? ?總結(jié)物理領域中涉及到的研究方法，如模型法、等效法、類比法、逆向思維法、猜想法、控制變量法、歸納法、轉(zhuǎn)換法、幾何描述法、放大法和微元法等。此過程有利于物理研究方法在教學和科學研究過程中的借鑒、應用和推廣。結(jié)合相關科學研究，將猜想法和類比法應用到材料物理研究過程中，并嘗試使用實驗法證明相關觀點。

【關鍵詞】? ?物理領域；研究方法；材料物理；研究應用

Review of Physical Research Methods and Their

Applications in Material Physics

Leng Yumin1， Sun Ning2， Wang Anyi1

（1. Anqing Normal University， Anqing 246133， China;

2.Changchun No. 10 Middle School， Changchun 130011， China）

【Abstract】? ? The paper summarizes the research methods in physics， such as model， equivalence， analogy， reverse thinking， conjecture， control variable， induction， transformation， geometric description， amplification and micro-element methods. It is beneficial to the use， application and popularization of physical research methods in teaching and scientific research. In combination with relevant scientific research， the idea of conjecture and analogy is applied to the research process of material physics， and the paper tried to use experimental methods to prove relevant ideas.

【Key words】? ? ?physical field; research methods; material physics; research and application

〔中圖分類號〕? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0016- 06

0? ? ?引言

全面實施的新一輪課程改革強調(diào)要以“關注每一個學生的個性發(fā)展”為核心理念，實現(xiàn)“以人為本”的素質(zhì)教育。這要求物理教師在讓學生掌握一定的物理基礎知識的同時，要以培養(yǎng)工程化、應用型人才為目標［1］，更注重培養(yǎng)學生的應用、動手和創(chuàng)新能力，能夠面向現(xiàn)實，學以致用。因此，利用有限的課堂時間，提高學生的學習興趣，調(diào)動學生的積極性，最大限度地滿足學生學習的需要，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，應是每位物理教師不斷研究和探索的課題。物理領域中研究方法指導著物理學科的發(fā)展和物理實驗的開展。通過總結(jié)物理領域中研究方法，有助于教師在教學過程中，培養(yǎng)學生的綜合歸納分析能力和邏輯思維能力。在物理實驗教學過程中，有意識地應用物理研究方法指導實驗過程，有利于培養(yǎng)學生的應用能力、創(chuàng)新能力、動手能力和合作交流能力等。全面了解物理領域中相關研究方法，有助于物理教師有效應用研究方法指導學生進行物理實驗的相關操作，并基于實驗過程和結(jié)果，發(fā)現(xiàn)自然科學規(guī)律和定理。

本文重點歸納總結(jié)物理相關研究方法，如模型法、等效法、類比法、逆向思維法、猜想法、控制變量法、歸納法、轉(zhuǎn)換法、幾何描述法、放大法和微元法等。通過對物理領域中研究方法的歸納和總結(jié)，在教學和科學研究過程中進行借鑒、作用與推廣。將類比法和猜想法應用于材料物理的科學研究過程中，通過類比麥克斯韋電磁波的提出方法，采用猜想法提出自己的觀點：在大分子體系中，金屬離子介導分子成環(huán)，將類似于麥克斯韋電磁波。并通過實驗表征，嘗試性證明猜想［2-3］。該研究內(nèi)容發(fā)表后得到高分子化學創(chuàng)始人、1987年諾貝爾獎得主 Jean-maire Lehn教授的支持和認可。

1? ? ?物理領域相關研究方法

1.1? ?模型法

模型法就是通過建立物理模型來研究物理的一種思維方法，例如盧瑟福模型（或稱行星模型、太陽系模型）是物理科學家歐尼斯特·盧瑟福建立的原子模型，如圖1a。1909年，盧瑟福帶領的科研團隊通過盧瑟福散射實驗，成功證實了原子核位于原子中心處。從此，約瑟夫·湯姆孫倡導的梅子布丁模型（又稱棗糕模型）被推翻。盧瑟福散射實驗表明：大多數(shù)的質(zhì)量和正電荷，都集中于一個很小的區(qū)域（稱為原子核），原子核的外面被大量的電子環(huán)繞著，類似于太陽周圍有行星環(huán)繞著，并進行著規(guī)律性運動［4］。

（c）單擺物理模型

另外，彈簧振子和單擺均為典型的理想化物理模型［5］。如圖1b，彈簧振子是一個不考慮彈簧的質(zhì)量、振子的大小和形狀、忽略摩擦阻力的理想化的物理模型。該理想化模型的建立，使得研究簡諧振動的運動規(guī)律簡單化。如圖1c，單擺是另一種理想化的物理模型，它由質(zhì)量不計的擺球和不可伸縮的擺線組成。擺球的選取要求其密度較大且球半徑比擺線的長度小得多，滿足此條件才可以將擺球理想化成質(zhì)點，擺角[θ]需要滿足小于10°。單擺被應用于準確測定時間（擺鐘），也被用來測量重力和重力加速度的變化。例如，牛頓利用單擺證明了物體的重量與其質(zhì)量成正比。直到20世紀中期，單擺依然是測量重力的重要儀器。天文學家里希爾（與惠更斯同時代）曾將擺鐘從巴黎攜帶到南美洲法屬圭亞那，發(fā)現(xiàn)每天慢2.5分鐘，經(jīng)過精密校準，回巴黎時又快2.5分鐘。

1.2? ?等效法

等效法是實驗物理中常用的思維方法。在實驗過程中，將難處理的問題轉(zhuǎn)化成易處理的問題，將一個物理量用另一種物理量來代替，并確保實驗結(jié)果相同，此方法即為等效法［6］。如圖2a，電路中有若干個并聯(lián)電阻，可以把并聯(lián)電阻等效為一個大電阻。等效法也常被用于串聯(lián)電路中，將多個串聯(lián)電阻等效為一個電阻 （圖2b）。實驗物理使用等效法的目的是將復雜的問題簡單化，便于我們處理復雜電路中電壓、電流和電阻之間的關系。

1.3? ?類比法

在識別物理概念時，比較某一點相同或相似的事物，把知識點有效的聯(lián)系起來，起到舉一反三、觸類旁通的作用［7］。例如在學習電流的形成時，可以用電流類比水流，通過類比水流的形成，在水壓作用下水流向某一方向流動，在水管中形成水流，便于理解認識在電壓作用下，自由電子定向移動而形成電流。在學習勻強電場時，可以類比重力勢場，很容易理解接受勻強電場的很多性質(zhì)。

在學習質(zhì)點和剛體的運動規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)質(zhì)點做勻變速直線運動、勻變速圓周運動和剛體繞定軸作勻變速轉(zhuǎn)動的加速度、速度和位移間的關系，存在類似性［8］，見表1。采用類比法，通過類比初高中已熟悉的質(zhì)點勻變速直線運動的加速度、速度和位移間的關系，便于快速掌握質(zhì)點勻變速圓周運動和剛體繞定軸作勻變速轉(zhuǎn)動的加速度、速度和位移間的關系。表2是質(zhì)點運動規(guī)律和剛體定軸轉(zhuǎn)動規(guī)律對照表［8］。若采用類比法，類比質(zhì)點的運動規(guī)律，更有利于快速掌握剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的規(guī)律。

上述質(zhì)點做勻變速直線運動、勻變速圓周運動和剛體繞定軸勻變速轉(zhuǎn)動的運動規(guī)律的相似性，有助于理解狹義相對論的相對性原理，即在所有慣性系中，物理定律的表達形式都相同［8］。

1.4? ?逆向思維法

逆向思維法就是改變原來順序或向問題的反方向去思考的一種思維方式［9］。例如，1820年4月21日奧斯特為學生上課期間，搭建實驗裝置時，發(fā)現(xiàn)電線通電流時，旁邊的磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。這一發(fā)現(xiàn)激起奧斯特的極大興趣。思考之后，他又進行了大量的實驗，直到他確信電流可以產(chǎn)生磁場。1820年7月21日，奧斯特以論文的形式發(fā)表了他的研究結(jié)果：電流可以激發(fā)磁場［10］，如圖3a。法拉第基于電生磁，采用逆向思維法，堅信磁場肯定可以激發(fā)生電場，如圖3a。于是，法拉第進行了大量的實驗研究，其中一個實驗：將長約62米的銅導線纏繞在木棍上，銅導線的兩端與電流計相聯(lián)，然后合上電源開關，發(fā)現(xiàn)電流計指針動了一下又回到0點。他反復把開關斷開、閉合，都發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。根據(jù)實驗現(xiàn)象，法拉第提出電磁感應規(guī)律［11］。

1.5? ?猜想法

猜想法是物理領域中一種重要的思維方法，有些規(guī)律不是科學家們通過實驗來提出或驗證的，而是在實驗的基礎上進行總結(jié)、推理和論證的。1864年英國物理學家麥克斯韋預言了電磁波的存在，采用了猜想法?；趭W斯特電生磁、法拉第磁生電的研究，麥克斯韋猜想：電生磁、磁生電，這樣一環(huán)套一環(huán)，一直往下傳，就形成了電磁波［11］，如圖3b。

伽利略慣性定律實驗，伽利略將無限光滑的兩個斜面相連，讓球從左側(cè)斜面上以一定的高度（h）滾下，發(fā)現(xiàn)：不管怎樣改變右側(cè)斜面的坡度，從而改變小球所經(jīng)路程，小球都會沿斜面滾到h的位置如圖4。基于此發(fā)現(xiàn)，伽利略猜想：若第二個斜面為無限延伸且無限光滑的水平面，則小球?qū)恢毕蚯斑\動。盡管歷史上已有許多科學家對慣性運動作了許多描述或猜想，但唯有伽利略率先設計精密實驗，進行嚴格的推理，得出明確的結(jié)論。這為慣性定律的建立取得了突破性的進展。

1.6? ?控制變量法

控制變量法，在物理學中常采用控制變量法將多個因素轉(zhuǎn)化為單個因素。只改變一種量而保留其它量不變，研究改變量對實驗的影響。例如，在研究物體的動能與質(zhì)量和速度關系的實驗中，使兩個質(zhì)量不同的小車從同一高度的斜坡上滑下，通過小車滑行的距離來判斷小車動能大小，觀察到質(zhì)量大的小車滑行距離大，質(zhì)量小的小車滑行距離??；使兩個質(zhì)量相同的小車從不同高度滑下，觀察到從較高斜坡滑下的小車滑行距離較大，從較低斜坡滑下的小車滑行距離較?。?］，如圖5所示。

1.7? ?歸納法

歸納法就是把一系列個別現(xiàn)象進行概括總結(jié)，從中抽象出具有一般性結(jié)論規(guī)律的推理方法。例如，通過實驗可以看到，正電荷和正電荷互相排斥，負電荷和負電荷互相排斥，正電荷和負電荷互相吸引。采用歸納法，科學家得到這樣的結(jié)論：同一種類的電荷互相排斥，不同的電荷互相吸引［8］，如圖6所示。

1.8? ?轉(zhuǎn)換法

轉(zhuǎn)換法就是把不能直接觀察到的現(xiàn)象，通過轉(zhuǎn)換法變成可以被觀測的宏觀物或者宏觀效應。在物理實驗中為了方便觀測到實驗現(xiàn)象，常采用轉(zhuǎn)換法。例如，在進行電熱與電阻關系的探究時，可以借助空氣的熱脹冷縮，把電熱的量轉(zhuǎn)換成液柱上升的高度來顯示，如圖7所示。

1.9? ?幾何描述

為了方便問題的研究，可選擇用線條等手段來描述各種看不見的物質(zhì)。例如在學習光的傳播時，光是看不見、摸不著的，為了讓學生更直觀地學習光傳播知識，選擇用光線來描述光的傳播路線，光的折射和反射都可以用光線來描繪；在磁場的學習中，同樣用磁感線來描繪磁場［8］，如圖8所示。

1.10? 放大法

在物理實驗中會經(jīng)常測量微小物理量，這些微小物理量的變化不容易被觀察到，所以通常要用放大法，有助于測量。例如，在測量很難準確測量的微小位移量時，可以利用光杠桿法來將其放大為能夠直接測量的量，如圖9所示，平面鏡M放置在三腳架上，并且可以繞與前足連線平行的軸轉(zhuǎn)動，測量時將前足放平臺的凹槽中，后足放在被測物體的上端。距離鏡面M前方L處，放置一望遠鏡和標尺。當物體發(fā)生微小位移Δl時，M轉(zhuǎn)動一個角度[α]，根據(jù)光的反射定律，鏡面轉(zhuǎn)過[α]角，反射線則轉(zhuǎn)過[2α]角。此時可以從望遠鏡觀察到標尺的變化量，根據(jù)幾何關系列出等式，求出Δl，獲得了微小變化量的放大，并提高了Δl的測量精度［12］。除此之外，放大鏡、顯微鏡等都是采用放大法的原理來觀察事物。

1.11? ?微元法

微元法是解決物理問題時常用的一種解題方法。運用了從局部到整體的思維，把研究對象分成無限個小部分，從中抽取一個小部分進行分析，每個小部分所遵循的物理規(guī)律是相同的，所以只分析一個小過程即可。例如，在學習瞬時速度時，從t到Δt這一段時間內(nèi)，Δt越小，運動快慢的差異也就越小，在此基礎上，若Δt趨近于零，則可認為Δt的平均速度相當于t時刻的瞬時速度［8］。

2? ? ?猜想法和類比法在材料物理研究過程中的應用

根據(jù)2016年諾貝爾化學獎得主Sauvage和Stoddart教授獲獎論文的相關報道，即使用Cu（I）介導分子合成一系列的“雙環(huán)”絡合物［13-15］。Sauvage教授預言：金屬離子介導分子成環(huán)，有望擴展到聚合物和大分子體系，將產(chǎn)生非常有意義的結(jié)果［15-16］。Stoddart教授在他的獲獎論文中提到分子穿梭現(xiàn)象［17］。于是，我們猜想：在微觀領域（如大分子和蛋白質(zhì)系統(tǒng)），金屬離子介導分子成環(huán)，將類似于麥克斯韋電磁波（見圖10），且金屬離子穿梭于分子環(huán)間［2-3］。

為證實猜想，設計實驗如圖11，選用胃蛋白酶（pepsin，Pep）和胰蛋白酶（trypsin，Try）作為還原劑，在強堿性條件下將Au（III）還原為Au（I），Au（I）介導Pep/Try內(nèi)氨基酸分子成環(huán)（簡稱Au（I）-Pep/Try），在此基礎上引入另一種蛋白質(zhì)，促使Au（I）從Pep/Try穿梭到其它蛋白質(zhì)內(nèi)，并介導其氨基酸成環(huán)，微波加熱至溶液沸騰，迅速固化分子環(huán)，形成類似蜂窩狀的模板劑，并將Au（I）還原為納米金，其分散于蜂窩內(nèi)。納米金的形貌表征（見圖12）證明了猜想的合理性［2-3］。

3? ? ?總結(jié)

本文總結(jié)了物理領域中相關的研究方法，包括模型法、等效法、類比法、逆向思維法、猜想法、控制變量法、歸納法、轉(zhuǎn)換法、幾何描述法、放大法和微元法等。嘗試性地將猜想法和類比法應用到材料物理研究過程中，通過類比電磁波的提出方法，猜想在大分子和蛋白質(zhì)系統(tǒng)中，金屬離子介導分子成環(huán)，類似于麥克斯韋電磁波，并采用實驗表征的方法，證明相關想法。本文對物理研究方法的總結(jié)及應用，有助于其在教學和科學研究過程中的借鑒、應用和推廣。

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