趣說(shuō)“觀察”（上）

張軍

不同版本的初二物理教材，引言中一般都會(huì)說(shuō)“觀察和實(shí)驗(yàn)是研究物理的最基本方法”。事實(shí)上，在真實(shí)的物理學(xué)習(xí)和探究中，觀察也是貫穿始終的。然而，到底什么是觀察呢？課本中并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)論述。今天，張老師就和大家聊聊“觀察”。

“觀察”和“看”有區(qū)別

《新華字典》對(duì)“觀察”的解釋是“認(rèn)真仔細(xì)地察看”，這至少說(shuō)明了在仔細(xì)程度上是有差別的（圖1）。

圖2 是《說(shuō)文解字》中“察”的寫(xiě)法。中間的“祭”表示讀音，在上古音系中，“察”與“祭”同音?！板病弊x作“mián”，本意是房屋，表示祭祀的場(chǎng)所?！凹馈钡纳习氩糠质怯沂帜弥?，下半部分 （示）是古代神主牌位的象形，表示手持祭肉進(jìn)行祭祀的意思。所以，“察”既是形聲字，也是會(huì)意字，表示在廟堂上仔細(xì)審察祭品。先秦時(shí)期，人們祭天、祭神、祭祖，表達(dá)懷念、崇敬，或者祈求保佑，這些都是政治生活中的頭等大事，一點(diǎn)不能出錯(cuò)。祭祀前，會(huì)安排專(zhuān)人對(duì)祭品進(jìn)行嚴(yán)格審查，這就不是普通的“看看”了。今天，我們說(shuō)的視察、考察、明察秋毫、察言觀色、明察暗訪等，都沿襲了“仔細(xì)查看、辨析”的義項(xiàng)。

在自然研究和科學(xué)探究中，“觀察”是指一種綜合運(yùn)用各種感官的知覺(jué)活動(dòng)，而不僅僅指依靠視覺(jué)。觀察事物的能力就是觀察力，它是智力的重要組成部分。

“觀察”需要調(diào)動(dòng)各種感官

你認(rèn)為圖3 中的容器的作用是什么？有人認(rèn)為是搗大蒜用的，因?yàn)楹退饩书L(zhǎng)得很像；有人認(rèn)為是研磨中藥材的，因?yàn)樵谥兴幍昕匆?jiàn)過(guò)類(lèi)似的器皿；有人認(rèn)為是出家人用的缽，因?yàn)樵陔娨晞　段饔斡洝分锌吹竭^(guò)相關(guān)物品。每個(gè)人都是通過(guò)眼睛“看”，結(jié)合自己的生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)猜測(cè)的，這還不是觀察。觀察當(dāng)然需要看?？慈萜鞒缮?，是老物件，估計(jì)使用過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間；容器是金屬材質(zhì)，造型圓潤(rùn)古樸；底部、側(cè)壁有花紋和圖案，還有文字。放在鼻子邊嗅一嗅，沒(méi)有大蒜的氣味，也沒(méi)有中藥的氣味。用手摸一摸，質(zhì)感細(xì)膩；還可以掂一掂，比較沉，估計(jì)是銅器；還可以敲一敲，有清脆、悅耳的聲音發(fā)出來(lái)。視覺(jué)、嗅覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)都調(diào)動(dòng)起來(lái)了，綜合各種信息，再檢索一下資料，發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)音缽，作用類(lèi)似轉(zhuǎn)經(jīng)筒，合金制作。這就是觀察了——對(duì)各種感官收集到的信息進(jìn)行加工，獲得對(duì)音缽的整體認(rèn)識(shí)。

除了細(xì)致、全面、連續(xù)，觀察還要求明確目的、對(duì)象、計(jì)劃、步驟、現(xiàn)象之間的邏輯關(guān)系等。比如觀察水的沸騰，將水從室溫加熱到沸騰，整個(gè)過(guò)程中變化的量非常多，體積、質(zhì)量、密度、內(nèi)能，等等。課本上要求重點(diǎn)觀察水溫隨時(shí)間的變化、聲音隨時(shí)間的變化、燒杯內(nèi)氣泡隨時(shí)間的變化，那么事先就要準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)記錄的表格，清楚測(cè)量工具的使用，明確小組成員之間的分工。注意，“數(shù)據(jù)”是指實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的所有現(xiàn)象，而不單單指“數(shù)字”。

“觀察”過(guò)程中會(huì)調(diào)動(dòng)各種體驗(yàn)

伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時(shí)性的故事，大家應(yīng)該都知道。教堂屋頂擺動(dòng)的吊燈，引起了17 歲的伽利略的注意。他以脈搏跳動(dòng)的次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)擺幅變化時(shí)，擺動(dòng)一次的時(shí)間卻差不多。其他物體的擺動(dòng)是不是和吊燈的擺動(dòng)一樣有規(guī)律可循呢？擺動(dòng)的周期與擺的輕重有關(guān)系嗎？經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)物體擺動(dòng)周期只跟擺繩的長(zhǎng)度有關(guān)（擺角小于5o），這就是擺的等時(shí)性。后來(lái)，荷蘭科學(xué)家惠更斯據(jù)此發(fā)明了擺鐘，將時(shí)間的誤差減小到秒級(jí)。擺鐘后來(lái)又經(jīng)過(guò)了各種改進(jìn)，至今還在沿用。

1827 年，植物學(xué)家布朗在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，懸浮在水中的花粉顆粒會(huì)不停地運(yùn)動(dòng)，而且沒(méi)有規(guī)律，永不停止。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們都不明白其中的道理，直到幾十年后，人們才知道，水分子一直在做永不停息的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，花粉顆粒的運(yùn)動(dòng)是水分子的碰撞產(chǎn)生的。

我們?cè)诩揖涂梢灾販厮麄儺?dāng)年的實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)他們當(dāng)時(shí)新奇、興奮、困惑、探索的心路歷程。單擺可以從網(wǎng)上買(mǎi)到，帶孔的小鋼球和一段棉線，非常便宜。也可以在家制作，如果找不到帶孔的小球，可以用橡皮泥搓一個(gè)包住線頭的小球，或者用膠帶將線頭粘在玻璃球上替代。

實(shí)驗(yàn)前明確，擺長(zhǎng)控制在1 米左右，擺角控制在5o 之內(nèi)（圖4）。手機(jī)上就有秒表功能，可以用來(lái)精確計(jì)時(shí)。小球的擺動(dòng)周而復(fù)始，從左側(cè)最高點(diǎn)A →最低點(diǎn)O →右側(cè)最高點(diǎn)B →最低點(diǎn)O →左側(cè)最高點(diǎn)A，這是一個(gè)周期；或者最低點(diǎn)O →右側(cè)最高點(diǎn)B →最低點(diǎn)O →左側(cè)最高點(diǎn)A →最低點(diǎn)O，也是一個(gè)周期。現(xiàn)在，我們來(lái)思考幾個(gè)問(wèn)題：1. 計(jì)時(shí)起點(diǎn)從A 點(diǎn)、B 點(diǎn)開(kāi)始，還是從O 點(diǎn)開(kāi)始呢？實(shí)際動(dòng)手操作一下，體驗(yàn)?zāi)囊环N方案更容易判斷小球的位置。2. 測(cè)量一個(gè)周期準(zhǔn)確，還是測(cè)量20個(gè)周期或50 個(gè)周期取平均值更準(zhǔn)確？ 3. 如果想探究周期與小球質(zhì)量是否有關(guān)系，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？ 4. 如果想探究周期與擺長(zhǎng)是否有關(guān)系，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？ 5. 為什么要讓擺長(zhǎng)控制在1 米左右、擺角控制在5o 之內(nèi)？你可以約幾名同學(xué)一起做實(shí)驗(yàn)，然后充分討論，聽(tīng)聽(tīng)彼此的看法。

當(dāng)然，大家也會(huì)觀察到，擺幅越來(lái)越小，為什么呢？擺球被拉離平衡位置后放手，如果擺線所在的平面不是豎直的，就會(huì)變成圓錐擺，這里面可供研究的內(nèi)容也很多。

沒(méi)有顯微鏡也可以做“布朗運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)。取一些花粉（當(dāng)然也可以用其他物品替代，比如胡椒粉）和水混合，然后用注射器吸取少許，將注射器針孔朝下豎直放置，推動(dòng)活塞，讓注射器孔懸掛一滴水珠。用一束激光射向水珠（網(wǎng)上很容易購(gòu)買(mǎi)到激光筆，價(jià)格不貴，但是激光筆的功率如果超過(guò)1 毫瓦，請(qǐng)大家戴上墨鏡），在墻壁或白紙上就會(huì)出現(xiàn)光斑，幫助你看到那些小顆粒的運(yùn)動(dòng)（圖5）。

觀察對(duì)于科學(xué)家從事研究至關(guān)重要。托勒密的“地心說(shuō)”在今天看來(lái)顯然不正確，但是它確實(shí)是以觀察和計(jì)算作為基礎(chǔ)的，在當(dāng)時(shí)是了不起的進(jìn)步。不過(guò)，數(shù)據(jù)的不足、理論的不足、經(jīng)驗(yàn)的不足都會(huì)限制研究者的視野。17 世紀(jì)前后，一大批哲學(xué)家開(kāi)始重視觀察和實(shí)驗(yàn)，達(dá)·芬奇、哥白尼、培根、開(kāi)普勒、伽利略、帕斯卡、笛卡爾、牛頓、波義耳、洛克、歐拉、萊布尼茨、拉瓦錫、奧斯特……正是他們讓科學(xué)從哲學(xué)中分離了出來(lái)。讀一讀他們的傳記，有助于我們更深刻地理解科學(xué)的誕生。

“觀察”往往需要借助工具

人的感官可以獲取多種信息。眼睛通過(guò)光獲取信息，比如明暗、形狀、色彩；耳朵通過(guò)聲波獲取信息，比如音調(diào)、響度、音色、樂(lè)音或噪聲；鼻子和舌頭通過(guò)感受化學(xué)刺激獲取信息，比如各種氣味、味道；手通過(guò)觸摸獲取信息，比如潮濕還是干燥、堅(jiān)硬還是柔軟、光滑還是粗糙、溫?zé)徇€是寒涼、壓力的大與小。不僅如此，還有各種感官共同作用產(chǎn)生的通感。

但是，感官都有閾值（感知范圍），超出這個(gè)閾值，對(duì)象的某些屬性就不能被感官直接觀察了。比如，人耳只能聽(tīng)到20～20 000 赫茲頻率范圍內(nèi)、具有一定強(qiáng)度的聲波，在這個(gè)頻率范圍之外，或者雖在頻率范圍內(nèi)但振幅太小的聲波，人的耳朵就不能感知到。再比如，人的眼睛只能接收到380～760 納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波，在這范圍之外的微波、紅外線、紫外線、X 射線、γ 射線等，就成為眼睛不能直接觀察的東西。

感官的精確性也是有限的。我們說(shuō)天氣真熱，但是熱到什么程度呢？?jī)杀錈岵煌?，但是相差多少呢？我們說(shuō)天氣真悶，但是空氣中的含水量是多少呢？我們說(shuō)光刺眼，但是光照強(qiáng)度到底有多大呢？感官都無(wú)法直接給出答案。

感覺(jué)的速度也有局限性。人眼難以看清高速運(yùn)動(dòng)的物體，比如蜜蜂飛行時(shí)扇動(dòng)的翅膀；也難以觀察運(yùn)動(dòng)變化極其緩慢的現(xiàn)象，比如固體間的擴(kuò)散；也難以觀察時(shí)間極短的現(xiàn)象，比如基本粒子的壽命（甚至小于0.000 01 秒）。還有，感官獲得的信息有時(shí)是錯(cuò)誤的，比如視錯(cuò)覺(jué)，圖中的紅線和綠線哪個(gè)更長(zhǎng)（圖6）？

為了克服感官的生理局限，我們需要借助中介物，也就是測(cè)量工具或儀器。溫度計(jì)、刻度尺、顯微鏡、電流表、照相機(jī)等，它們都可以被看作是人的感官的拓展與延長(zhǎng)。這樣看來(lái)，觀察是反映人、被觀察對(duì)象和工具三者之間互動(dòng)關(guān)系的認(rèn)知過(guò)程，與測(cè)量緊密相連，與思維方法密切相關(guān)。從某種角度看，科學(xué)的發(fā)展史也是測(cè)量工具的進(jìn)步史。

（責(zé)任編輯：白玉磊）