芻議物理學(xué)史中穆勒五法的應(yīng)用

李燕+唐琳

摘 要：穆勒五法是進(jìn)行科學(xué)研究的一種重要方法，在物理學(xué)史中，科學(xué)家們相繼應(yīng)用了契合法、差異法、共變法、契合差異法和剩余法等歸納出了許多經(jīng)驗(yàn)公式和定律。

關(guān)鍵詞：契合法；差異法；共變法；契合差異法；剩余法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）10-0062-2

自然科學(xué)中許多經(jīng)驗(yàn)公式或定律，都是利用穆勒五法歸納出來(lái)的。筆者在文中簡(jiǎn)單介紹了穆勒五法，并探討它在物理學(xué)史中的應(yīng)用。同時(shí)在物理教學(xué)中介紹穆勒五法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力和學(xué)習(xí)方法，形成科學(xué)的思維模式。

1 契合法

契合法又稱求同法，是通過(guò)考察被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場(chǎng)合，如果這些不同場(chǎng)合里只有一個(gè)共同的條件，則這個(gè)共同條件與被研究的現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系。

超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)就是應(yīng)用契合法的一個(gè)例證，在1911年到1913年期間，卡末林·昂納斯和他的助手分別用水銀、鉛、錫等做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些材料在達(dá)到一定低溫時(shí)，它們的電阻值就突然消失了。他在1913年宣稱，“這些材料在低溫下進(jìn)入了一種新的狀態(tài)，這種狀態(tài)具有特殊的電學(xué)性質(zhì)”，就這樣，卡末林·昂納斯發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性。

1827年，英國(guó)植物學(xué)家布朗也是應(yīng)用契合法發(fā)現(xiàn)了布朗運(yùn)動(dòng)。布朗在研究植物的授粉過(guò)程時(shí)無(wú)意發(fā)現(xiàn)懸浮在水中的花粉在不停地運(yùn)動(dòng)著后，他又在標(biāo)本箱中找出已保存了上百年的植物標(biāo)本、小塊玻璃和各種不含任何有機(jī)物的礦石，以及從一尊希臘女神花崗巖石像上取下的碎石，研磨成粉，進(jìn)行觀察，得出相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：這些沒(méi)有生命的微粒（不管什么品種）只要足夠小，它們都在不停地做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。后來(lái)人們?yōu)榱思o(jì)念布朗把這種運(yùn)動(dòng)叫做布朗運(yùn)動(dòng)。

2 差異法

差異法又稱求異法，是通過(guò)考察某現(xiàn)象出現(xiàn)和不出現(xiàn)的兩個(gè)場(chǎng)合，若這兩個(gè)場(chǎng)合有且僅有某一個(gè)條件不同，則這個(gè)不同的條件和被研究現(xiàn)象之間有因果聯(lián)系。

法國(guó)的帕斯卡和佩利爾在驗(yàn)證汞柱升高的原因是大氣壓的存在時(shí)就應(yīng)用了差異法。佩利爾把氣壓計(jì)放到多姆山頂上發(fā)現(xiàn)，在山頂上管中汞柱高度比山下低3英寸，他在返回的路上又做了分段實(shí)驗(yàn)，證明氣壓計(jì)中汞柱升高的高度與氣壓計(jì)在山上的高度的降低成正比。而留在山下的另一支氣壓計(jì)汞柱的高度無(wú)變化。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果使帕斯卡堅(jiān)定了大氣壓的存在，他明確表示空氣的重量和壓力是造成汞柱懸掛的唯一原因，因?yàn)樵谏较卤壬缴嫌懈嗟目諝鈮合聛?lái)，所以山下的汞柱高于山上的汞柱。

玻意耳和胡克在研究大氣壓的性質(zhì)時(shí)也應(yīng)用了差異法：其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)是把氣壓計(jì)密封在一個(gè)大容器中，觀察到氣壓計(jì)中的汞柱隨著容器中的空氣逐漸抽掉而下降，下降到和槽的汞面平齊而止，這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了汞柱能夠維持在玻璃管中是因?yàn)榇髿鈮旱拇嬖凇Ａ硪粋€(gè)是玻意耳用鐘罩蓋住鈴鐺，再把鐘罩里的空氣抽掉，然后就聽不到鈴聲了的實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)證明了聲音的傳播靠的是媒質(zhì)，沒(méi)有空氣這種媒質(zhì)，聲音在真空中就不能傳播。

3 共變法

如果某種條件發(fā)生變化，所研究的現(xiàn)象也發(fā)生相應(yīng)變化，則某種條件和這個(gè)發(fā)生了相應(yīng)變化的現(xiàn)象之間有因果關(guān)系。

玻意耳應(yīng)用了共變法來(lái)研究氣體體積與壓強(qiáng)的關(guān)系，用一根一端封閉的U形玻璃管，事先灌入一定量的汞液把一段空氣封閉在管中。然后，從開口的一端注入汞液，觀察到空氣柱的長(zhǎng)度隨著汞液的注入不斷減小，繼續(xù)注入汞液，空氣柱越來(lái)越短，從而得出了氣體體積與壓強(qiáng)成反比的關(guān)系的結(jié)論。同時(shí)，法國(guó)物理學(xué)家馬略特在研究此問(wèn)題時(shí)也得出了相同的結(jié)論，后來(lái)人們把他們兩人的結(jié)論稱為玻意耳-馬略特定律。

在核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的早期發(fā)展中，宇宙射線的研究起過(guò)很重要的作用，許多新的粒子都是首先在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的。最初人們常常采用共變法來(lái)研究宇宙射線的來(lái)源，奧地利物理學(xué)家赫斯在1912年把氣球從地面升到5350米高處，發(fā)現(xiàn)隨著高度升高游離電流逐漸升高，到了5000米游離電流已數(shù)倍于地面，他得出具有強(qiáng)大穿透力的輻射是從外界進(jìn)入大氣的。由于宇宙射線的研究成果，赫斯在1936年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4 契合差異法

契合差異法也稱求同求異并用法，若在研究現(xiàn)象出現(xiàn)的幾個(gè)場(chǎng)合中，都存在一個(gè)共同條件，而在所研究現(xiàn)象不出現(xiàn)的幾個(gè)場(chǎng)合中，都沒(méi)有這個(gè)條件，則這個(gè)條件和所研究現(xiàn)象之間有因果關(guān)系。

物質(zhì)的放射性的發(fā)現(xiàn)就是利用了契合差異法。法國(guó)物理學(xué)家亨利·貝克勒爾在無(wú)意間把放射性物質(zhì)鈾鹽放到用黑紙包好的底片上，太陽(yáng)曬了幾個(gè)小時(shí)后底片顯示了黑影。為了證實(shí)是射線在起作用，首先他特意在黑紙包和鈾鹽間夾一層玻璃，再放到太陽(yáng)下曬，結(jié)果仍然出現(xiàn)了黑影。然后，他把鈾鹽拿走，用兩張厚黑紙把感光底片包起來(lái)，放在太陽(yáng)底下，結(jié)果沒(méi)有使底片感光。于是他斷定使底片感光的是鈾鹽，這就是發(fā)現(xiàn)放射性的經(jīng)過(guò)。

5 剩余法

如果已知被研究的某一復(fù)雜現(xiàn)象是由另一復(fù)雜原因引起的，則把其中已判明因果聯(lián)系的部分減去，可確認(rèn)所余部分定有因果聯(lián)系，這就是剩余法。

居里夫人在研究放射性時(shí)就采用了剩余法。她以瀝青鈾礦渣作為原料，瀝青鈾礦是一種成分復(fù)雜的礦石，以鈾為主，其余是多種雜質(zhì)，包括銀、銅、鋇、鉍、鈷等金屬的化合物，這些雜質(zhì)中究竟哪一種成分含有放射性，只有靠化學(xué)方法分離后，再用靜電計(jì)比較其游離電流才能鑒別，收集到的沉淀物再用別的試劑溶解和沉淀。采用這種方法，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了釙，接著他們繼續(xù)進(jìn)行分離試驗(yàn)，又發(fā)現(xiàn)鋇鹽中有更強(qiáng)的放射性，又經(jīng)過(guò)一系列的分離，提取了放射性更強(qiáng)的鐳。

海王星的發(fā)現(xiàn)也是應(yīng)用了剩余法。在18世紀(jì)末19世紀(jì)初，由于觀測(cè)到的天王星的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌道和理論結(jié)果之間有著明顯的偏差，人們提出尋找偏離原因的問(wèn)題。英國(guó)青年大學(xué)生亞當(dāng)斯和法國(guó)天文學(xué)家勒維烈各自獨(dú)立地根據(jù)牛頓理論進(jìn)行了計(jì)算，并預(yù)言了產(chǎn)生偏離現(xiàn)象的原因是由于存在某個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的天體引起的，并運(yùn)用萬(wàn)有引力定律推算出這顆星的質(zhì)量和可能位置。后來(lái)柏林天文臺(tái)的伽勒于1846年9月23日夜間在預(yù)定的地點(diǎn)果然發(fā)現(xiàn)了一顆新的行星——海王星。

作為一名物理教師，深切地體會(huì)到物理教育不能把傳授知識(shí)作為唯一的目的，而是應(yīng)該把物理學(xué)家認(rèn)識(shí)世界的模式和科學(xué)思想方法貫穿在教學(xué)過(guò)程中，在講授理論知識(shí)時(shí)不失時(shí)機(jī)地將其中包含的物理學(xué)方法介紹給學(xué)生，這正是每一位教師所需要不斷探索的。

參考文獻(xiàn)：

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[3]郭奕玲，沈慧君.近代物理著名實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介[M].濟(jì)南：山東教育出版社，2001.

（欄目編輯 王柏廬）