首页 -> 2008年第7期
物理学中的比较方法例析
作者：刘 颖 刘 章 宋维才
比较方法广泛地存在于物理学中，物理学中的所有物理量的大小都是通过与选定标准的比较得出的。国际基本物理量有时间、长度、质量、电流强度、热力学温度、物质的量和发光强度。下面我们就一一列举比较方法在国际基本物理量大小的得出过程中的作用。
１．时间：时间在国际单位制中的单位为秒，记作ｓ。最早人们是利用地球自转运动来计量时间的，其单位是平太阳日。１９世纪末将一个平太阳日的１／８６４００作为一秒。１９６０年国际计量大会决定采用以地球公转运动为基础的历书时秒作为时间单位。１９６７年国际计量大会又修改为原子秒的定义，取代了历书时秒，其规定是“秒是铯－１３３原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的９１９２６１３７７０个周期所持续的时间”。
这便是某物体“质量的操作型定义”，它把定义质量单位后经实验测出的ｍ叫做物体的质量。
５．热力学温度：国际单位制中热力学温度的单位是开尔文，记作Ｋ。其定义为：“热力学温度单位开尔文是水的三相点热力学温度的１／２７３．１６”（第１３届国际计量大会，１９６７年，决议４）。处于热平衡状态的不同物体具有一个相同的宏观性质即温度，任何温度不同的物体都具有不同的热效应，物体温度的高低是通过热效应的比较得出的。例如：用定容理想气体温度计测温度时，在水的三相点温度下测温泡内理想气体的压强为Ｐ，在一待测温度下测温泡内理想气体的压强为Ｐ，则待测温度Ｔ＝２７３．１６Ｋ，显然这种确定温度的方法是通过比较测温泡内的压强来实现的。
６．物质的量：国际单位制中物质的量的单位是摩尔，记作ｍｏｌ。其定义为：“（１）摩尔是一系统的物质的量，该系统中包含的基本单元数与０．０１２ｋｇ碳－１２原子的原子数目相等。（２）在使用摩尔时，基本单元应予以指明，可以是原子、分子、离子、电子、及其他粒子，或是这些粒子的特定组合”（国际计量委员会１９６９年提出，１９７１年第十四届国际计量大会通过，决议３）。根据上述定义，物质的量的比较标准就是摩尔。物质的量是用某系统的基本单元数与一摩尔的单元数量的比值来衡量其大小的。
７．发光强度：国际单位制中发光强度的单位是坎德拉，记作ｃｄ。其定义为：“坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为５．４０×１Ｈｚ的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（１６８３）Ｗｓｒ（ｓｒ为球面度）”（第十六届国际计量大会，１９７９年决议３）。发光强度的比较也选择了一个标准，这个标准就是坎德拉。某一光源在某一方向上的发光强度与标准的比值体现了这一发光强度的大小，这里也用到了比较方法。
上述是７个国际基本物理量大小的得出过程，都用到了比较方法，其他物理量都是通过基本物理量导出的，因此可以说所有的物理量的大小都是通过比较得出的。
二、物理规律中的比较方法
其实不仅在物理量的得出方面用到了比较方法，物理概念的建立、物理性质的确定以及物理规律的应用中也都用到了比较方法，物理学中比较方法处处皆有。麦克斯韦关于比较曾经有这样一段话：为了避开深奥的物理理论及繁琐的数学计算而得到物理思想，我们必须熟悉物理比较的存在。本文就以下面三例来领略比较方法及比较思想。
１．库仑定律中所体现的比较思想：１８世纪中叶，科学界已经普遍承认带电体之间存在着引力或者斥力，并对电场力所遵循的规律作了种种猜测。牛顿在《自然哲学的数学原理》中，利用万有引力与距离平方成反比的规律，证明了在均匀的物质球壳内任一点不受球壳引力作用。而物理学家卡文迪许则通过实验验证了均匀带电球壳内任一点所受电场力为零。在比较思想的指导下卡文迪许于１７７３年提出了以下假设：电的吸引与万有引力服从同一规律，即与距离平方成反比。库仑借鉴此假设经过一系列严密实验得出了著名的库仑定律。
３．经典理论与量子理论适用性判别中的比较方法：普朗克常量是表示微观粒子量子特征的基本量，它与角动量有相同的量纲，我们称具有与角动量相同量纲ＭＬ的物理量为作用量。对于宏观系统而言，任何具有作用量量纲的宏观物理量与普朗克常量相比，数值非常之大。宏观的作用量与普朗克常量进行比较，就是求该物理量与普朗克常量的比值，这是一个很大的数字，容易看出这个比值的倒数可视为零，我们说普朗克常量与该物理量无法比拟。经过上述的比较我们给出区分经典理论和量子理论适用的条件的粗略判据：“当普朗克常量与系统的具有作用量量纲的物理量无法比拟时，此系统是一个经典系统，用经典理论处理；当普朗克常量与系统的具有作用量量纲的物理量可以比拟时，该系统是一个量子系统，用量子理论处理”。我们看到比较意识对于判别经典理论和量子理论是否适用来说也必不可少。
以上例子充分说明了，比较思想普遍存在于物理学的各个方面，物理学中的物理量大小的得出，物理理论的发展，都是以比较为前提、为动力的。我们分析物理学中的基本方法比较方法就是为了给学习者提供一把学习物理学的关键钥匙，使其少走弯路，取得事半功倍的效果。但必须指出，通过比较方法所做出的推测或结论最终必须通过实验以及在以后的实践中得到检验，因为有时简单的比较方法也会导致错误的结果。
马克思告诉我们世界具有统一性，那么比较思想和方法自然也广泛存在于社会科学领域。领悟比较思想、掌握比较方法的意义远远超出了物理学的范畴，将使我们受益终身。
参考文献
［１］ 钟锡华，钟岳明．大学物理通用教程力学．北京：北京大学出版社，２０００．
［２］ 胡盘新．大学生物理手册．上海：上海交通大学出版社，１９９９．
［３］ 漆安慎，杜婵英．普通物理学教程力学．北京：高等教育出版社，１９９７．
［４］ 赵凯华，陈熙谋．电磁学上册．北京：高等教育出版社，１９８５．
［５］ 姚启均．光学教程．北京：高等教育出版社，１９８１．
［６］ 王土平．科学的争论．北京：北京大学出版社，１９９８．
［７］ 李椿，章立源，钱尚武．热学．北京：高等教育出版社，１９７９．
（责任编辑孙晓雯）
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