趣说“观察”（上）

张军

不同版本的初二物理教材，引言中一般都会说“观察和实验是研究物理的最基本方法”。事实上，在真实的物理学习和探究中，观察也是贯穿始终的。然而，到底什么是观察呢？课本中并没有专门论述。今天，张老师就和大家聊聊“观察”。

“观察”和“看”有区别

《新华字典》对“观察”的解释是“认真仔细地察看”，这至少说明了在仔细程度上是有差别的（图1）。

图2 是《说文解字》中“察”的写法。中间的“祭”表示读音，在上古音系中，“察”与“祭”同音。“宀”读作“mián”，本意是房屋，表示祭祀的场所。“祭”的上半部分是右手拿着肉，下半部分 （示）是古代神主牌位的象形，表示手持祭肉进行祭祀的意思。所以，“察”既是形声字，也是会意字，表示在庙堂上仔细审察祭品。先秦时期，人们祭天、祭神、祭祖，表达怀念、崇敬，或者祈求保佑，这些都是政治生活中的头等大事，一点不能出错。祭祀前，会安排专人对祭品进行严格审查，这就不是普通的“看看”了。今天，我们说的视察、考察、明察秋毫、察言观色、明察暗访等，都沿袭了“仔细查看、辨析”的义项。

在自然研究和科学探究中，“观察”是指一种综合运用各种感官的知觉活动，而不仅仅指依靠视觉。观察事物的能力就是观察力，它是智力的重要组成部分。

“观察”需要调动各种感官

你认为图3 中的容器的作用是什么？有人认为是捣大蒜用的，因为和蒜臼长得很像；有人认为是研磨中药材的，因为在中药店看见过类似的器皿；有人认为是出家人用的钵，因为在电视剧《西游记》中看到过相关物品。每个人都是通过眼睛“看”，结合自己的生活经验来猜测的，这还不是观察。观察当然需要看。看容器成色，是老物件，估计使用过很长时间；容器是金属材质，造型圆润古朴；底部、侧壁有花纹和图案，还有文字。放在鼻子边嗅一嗅，没有大蒜的气味，也没有中药的气味。用手摸一摸，质感细腻；还可以掂一掂，比较沉，估计是铜器；还可以敲一敲，有清脆、悦耳的声音发出来。视觉、嗅觉、听觉、触觉都调动起来了，综合各种信息，再检索一下资料，发现这是一个音钵，作用类似转经筒，合金制作。这就是观察了——对各种感官收集到的信息进行加工，获得对音钵的整体认识。

除了细致、全面、连续，观察还要求明确目的、对象、计划、步骤、现象之间的逻辑关系等。比如观察水的沸腾，将水从室温加热到沸腾，整个过程中变化的量非常多，体积、质量、密度、内能，等等。课本上要求重点观察水温随时间的变化、声音随时间的变化、烧杯内气泡随时间的变化，那么事先就要准备好数据记录的表格，清楚测量工具的使用，明确小组成员之间的分工。注意，“数据”是指实验过程中发生的所有现象，而不单单指“数字”。

“观察”过程中会调动各种体验

伽利略发现摆的等时性的故事，大家应该都知道。教堂屋顶摆动的吊灯，引起了17 岁的伽利略的注意。他以脉搏跳动的次数为标准来测量，发现摆幅变化时，摆动一次的时间却差不多。其他物体的摆动是不是和吊灯的摆动一样有规律可循呢？摆动的周期与摆的轻重有关系吗？经过一系列的实验，他发现物体摆动周期只跟摆绳的长度有关（摆角小于5º），这就是摆的等时性。后来，荷兰科学家惠更斯据此发明了摆钟，将时间的误差减小到秒级。摆钟后来又经过了各种改进，至今还在沿用。

1827 年，植物学家布朗在显微镜下发现，悬浮在水中的花粉颗粒会不停地运动，而且没有规律，永不停止。很长一段时间内，人们都不明白其中的道理，直到几十年后，人们才知道，水分子一直在做永不停息的无规则运动，花粉颗粒的运动是水分子的碰撞产生的。

我们在家就可以重温他们当年的实验，体验他们当时新奇、兴奋、困惑、探索的心路历程。单摆可以从网上买到，带孔的小钢球和一段棉线，非常便宜。也可以在家制作，如果找不到带孔的小球，可以用橡皮泥搓一个包住线头的小球，或者用胶带将线头粘在玻璃球上替代。

实验前明确，摆长控制在1 米左右，摆角控制在5º 之内（图4）。手机上就有秒表功能，可以用来精确计时。小球的摆动周而复始，从左侧最高点A →最低点O →右侧最高点B →最低点O →左侧最高点A，这是一个周期；或者最低点O →右侧最高点B →最低点O →左侧最高点A →最低点O，也是一个周期。现在，我们来思考几个问题：1. 计时起点从A 点、B 点开始，還是从O 点开始呢？实际动手操作一下，体验哪一种方案更容易判断小球的位置。2. 测量一个周期准确，还是测量20个周期或50 个周期取平均值更准确？ 3. 如果想探究周期与小球质量是否有关系，应该如何设计实验？ 4. 如果想探究周期与摆长是否有关系，应该如何设计实验？ 5. 为什么要让摆长控制在1 米左右、摆角控制在5º 之内？你可以约几名同学一起做实验，然后充分讨论，听听彼此的看法。

当然，大家也会观察到，摆幅越来越小，为什么呢？摆球被拉离平衡位置后放手，如果摆线所在的平面不是竖直的，就会变成圆锥摆，这里面可供研究的内容也很多。

没有显微镜也可以做“布朗运动”的实验。取一些花粉（当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许，将注射器针孔朝下竖直放置，推动活塞，让注射器孔悬挂一滴水珠。用一束激光射向水珠（网上很容易购买到激光笔，价格不贵，但是激光笔的功率如果超过1 毫瓦，请大家戴上墨镜），在墙壁或白纸上就会出现光斑，帮助你看到那些小颗粒的运动（图5）。

观察对于科学家从事研究至关重要。托勒密的“地心说”在今天看来显然不正确，但是它确实是以观察和计算作为基础的，在当时是了不起的进步。不过，数据的不足、理论的不足、经验的不足都会限制研究者的视野。17 世纪前后，一大批哲学家开始重视观察和实验，达·芬奇、哥白尼、培根、开普勒、伽利略、帕斯卡、笛卡尔、牛顿、波义耳、洛克、欧拉、莱布尼茨、拉瓦锡、奥斯特……正是他们让科学从哲学中分离了出来。读一读他们的传记，有助于我们更深刻地理解科学的诞生。

“观察”往往需要借助工具

人的感官可以获取多种信息。眼睛通过光获取信息，比如明暗、形状、色彩；耳朵通过声波获取信息，比如音调、响度、音色、乐音或噪声；鼻子和舌头通过感受化学刺激获取信息，比如各种气味、味道；手通过触摸获取信息，比如潮湿还是干燥、坚硬还是柔软、光滑还是粗糙、温热还是寒凉、压力的大与小。不仅如此，还有各种感官共同作用产生的通感。

但是，感官都有阈值（感知范围），超出这个阈值，对象的某些属性就不能被感官直接观察了。比如，人耳只能听到20～20 000 赫兹频率范围内、具有一定强度的声波，在这个频率范围之外，或者虽在频率范围内但振幅太小的声波，人的耳朵就不能感知到。再比如，人的眼睛只能接收到380～760 纳米波长范围内的电磁波，在这范围之外的微波、红外线、紫外线、X 射线、γ 射线等，就成为眼睛不能直接观察的东西。

感官的精确性也是有限的。我们说天气真热，但是热到什么程度呢？两杯水冷热不同，但是相差多少呢？我们说天气真闷，但是空气中的含水量是多少呢？我们说光刺眼，但是光照强度到底有多大呢？感官都无法直接给出答案。

感觉的速度也有局限性。人眼难以看清高速运动的物体，比如蜜蜂飞行时扇动的翅膀；也难以观察运动变化极其缓慢的现象，比如固体间的扩散；也难以观察时间极短的现象，比如基本粒子的寿命（甚至小于0.000 01 秒）。还有，感官获得的信息有时是错误的，比如视错觉，图中的红线和绿线哪个更长（图6）？

为了克服感官的生理局限，我们需要借助中介物，也就是测量工具或仪器。温度计、刻度尺、显微镜、电流表、照相机等，它们都可以被看作是人的感官的拓展与延长。这样看来，观察是反映人、被观察对象和工具三者之间互动关系的认知过程，与测量紧密相连，与思维方法密切相关。从某种角度看，科学的发展史也是测量工具的进步史。

（责任编辑：白玉磊）