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第21章 科学想象与发现真理(5)

他回到公司,马上召集技术人员,把想法告诉他们,经过努力,显映反画面的电视机研制出来了。现在,这种反画面的电视机,不仅放在理发店里供顾客一边理发,一边观看,而且还可以应用在乒乓球的训练中:一个右手挥球拍的运动员想借鉴左手握球拍运动员的发球、接球和击球的动作,有了反画面电视机,就可以录制下来,可供右手握球拍的运动员训练时借鉴球艺。

这种反画面电视机也可用于想躺着看电视的情况。电视机放在床边,天花板上安一面镜子,就可通过天花板上的镜子,舒服地看电视了。

这种从事物的相反功能去发明创造的方法叫做逆向发明法。它是一种打破了习惯性思考的反向思考。事实说明,不打破习惯性思维,难以作出新思维。世界上的事物是干变万化的,但是,人的头脑常被禁锢于已有的观念。一旦头脑开窍,新思维就会接踵而来发明许多东西。

在物理学史上利用逆向联想法的例子是不乏其例的。

1800年,意大利科学家伏打发明了伏打电池,第一次将化学能变成了电能。英国化学家戴维想:化学作用可以产生电能,那么,电能是否可以电解物质呢?

1807年,他果然用电解法发现了钾和钠两种元素。

1808年,他又发现了钙、锶、铁、镁、硼等5种元素。人类迄今共发现了百余种元素,而戴维独自就发现了7种,这在元素的发现史中是罕见的。

1819年,丹麦的物理学家奥斯特发现了通电导体可以使磁针转动的效应。

1820年,法国的安培发现了通电的螺线管线圈具有与磁石相同的作用。英国物理学家法拉第想:为什么不能用磁产生电呢?于是,法拉第开始做各种各样的实验,用了10年的艰苦探索,终于在1831年获得了成功发现了电磁感应现象,并且制造出厂世界上第一台发电机,为人类进入电气化时代开辟了道路。

1877年,爱迪生在试验改进电话机时发现:传话器里的音膜随着声音能有规律地振动。那么,同样的振动是否也会转换为原来的声音呢?根据这一想法,爱迪生制造出了,世界上第一台会说话的机器留声机。

③纵向联想。纵向联想是指从研究的问题出发,探究问题的潜在因素,以潜在因素的特征、外在联系、变化趋向为线索,进行多方延伸、质疑、猜测的思维方式。

④类比联想。类比联想是指根据两类问题的属性或关系在某些方面相似或相同,而推出它们在其他方面也可能相似或相同的思维方式。例如,研究偏转电场时,可先猜想阴极射线的路线形状及偏转方向,再通过电场与重力场相类比而提出猜想。

(2)发散思维。在创造性思维过程中,我们可以看到两种情况:一种是发散过程,一种是集中过程。发散使人的思维趋于灵活,是海阔天空地想像和创造的思维过程,而集中则是综合发散中得出的各种构想,从而导出最佳方案的思维过程。在创造性思维过程中,发散占主导地位。科学家哈定说过,所有创造性的思想家都是幻想家,而幻想主要是依靠发散性思维。

所谓发散思维,就是任思想天马行空、纵横驰骋,提出种种设想,然后进行对比、筛选,择善而从。创造思维的发散思路是很多的。

①转换与代替。转换指由这种用途转为其他用途;代替是用其他成分、其他材料或其他方法来取代这种成分、这种材料或这种方法。

近代感光材料工业,开始生产的都是动物胶玻璃干板,这样的玻璃千板沉重、易碎,不便携带。美国胶片制造家伊斯曼认识到,普及摄影必须有轻便、价廉、柔韧得可以卷到卷轴上的感光片。他首先生产一种涂有明胶感光乳剂层的纸卷光片发售。但是,这种胶片经过显影之后,必须把感光乳剂层从不透光的纸层衬底上剥下。

1888年6月,“伊斯曼”公司又进一步改进,生产了更薄的成卷的硝化纤维素软片,同时制造了一种价廉、轻便、操作简易的“柯达1号”卷片摄影机。

到1930年,很有危险的易燃的硝化纤维素软片又被没有可燃性的醋酸纤维素软片代替,也就是通行至今的“安全片基”。由玻璃干板到纸卷感光片、到硝化纤维素软片,再到醋酸纤维素软片,这一次次的创新都是替代。

⑦放大或缩小。放大是增加或扩大;缩小是减少或变小。在这件东西上另加些东西,使之强一些、高一些、长一些或厚一些,这是放大;相反,在这些东西上减少些东西,使之变小、浓缩、袖珍化、放低、变短、弄轻、省略,这是缩小。

马可尼发明无线电通讯时,相距50米便无法接收信号;但是,当他将天线高高举起,就可以接收信号。于是他想,如果把天线安得再高一点,信号就可能横穿大西洋了。

1901年11月,马克尼把天线安装在风筝上,风筝将天线带到100米高的地方,终于成功地实现了美国与英国之间的无线电通讯。这是放大的例子。

司蒂文森作为火车发明家在历史上享有盛名,而他发明成功的最后一计便是省略。过去,机车是用齿轮啮合着齿轨行驶的。学者们都认为:如果不安上齿轮,机车就会在轨道上打滑脱轨。当时,司蒂文森是一位机车司炉工人,他总想设法使机车跑快点。他制造了许许多多的模型,但都是安有齿轮的,无论用什么方法试验,都不能提高车速。几年的光阴过去了。他开始怀疑起来:“莫非学者们讲的话还有错误?”一天,他横下心把齿轮取F换上轮子试了试。奇怪的是,机车非但没有打滑,而且速度还提高了5—10倍,也没有出现脱轨现象。他喜出望外,把这申请为专利并取得了火车发明家的称号。这是减缩的例子。

⑨组合或重组。这里取一点,那里取一点,把它们按一定方式结合在一起,形成一个新的机体,产生新的功能,这是组合。将旧的组合打乱,重新组合,产生新的效益,这是重组。

组合在创造思维中常常发挥特殊的效力。400多年前,荷兰米德尔堡市有个叫普尔斯哈依的眼镜匠。一天,他的孩子把店里摆设的透镜片拿到楼上去玩,孩子们想:“一个镜片能把东西看得大,把两个重叠起来怎样?”当他们把镜片重叠起来注视前方时,突然大声喊起来:“哎呀!多奇怪?教堂显得真近呵!”父亲听到喧哗声,上楼训斥他们。他对教堂能看得很近这句话半信半疑,便照孩子们的样子试了试,不觉大吃一惊。从此,他便着了迷似地开始装配透镜,终f制出了望远镜,以望远镜的发明者被载入史册。望远镜是透镜的组合。

改变组合,有时效果会变得很不相同,这就是重组的作用。客运汽车的发动机装在车前头,许多乘客为车内的汽油味伤脑筋。现在有人把发动机安装到车的后部,这不也是个创新的重组吗?

④内插和外推。内插法就是在一系列已经确立的事实中间填补空当外推法是在假定具有同样的发展趋势的情况下,把结沦或结果继续推广到已有的观察事实之外。

物理学上,对黑体辐射的研究经历了一个很有意义的发展阶段。1896年,维恩根据热力学理论,结合实际数据,建立起黑体辐射能量按波长分布的公式,不过它是在波长比较短、温度比较低的时候才和实际事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯从经典物理学的概念出发,认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实际事实比较符合的黑体辐射公式。但当波长变短时,这个公式就失效了。

普朗克在维恩公式和瑞利金斯公式之间利用内插法建立了一个普遍公式,把前两个公式作为它的极限情形。普朗克公式同实际符合得很好,在高频区近似地转化为维恩公式,而在低频区又近似地转化为瑞利金斯公式。

1900年10月19日,他在德国物理学会上报告了自己的成果,普朗克公式被认为是正确的普遍公式。这是内插法的一个胜利。

能量守恒和转化定律则是逐步外推的结果。开始,人们研究了机械能与热能的转化与守恒。后来,焦耳在长期实验中进一步外推,又研究了了电能与机械能之间的守恒和转化的当量关系。英国律师格罗夫则把物理学关于能量守恒和转化的思想外推到化学领域。赫尔姆霍茨甚至还把物理学中“力的守恒”外推到生物学领域。到1845年,迈尔等人就把上述各种特殊性判断进一一步外推,概括出“在每一情况的特定条件下,任何一种运动形式都能够而且不得不直接或间接地转变为其他任何运动形式”。

(六)猜想方法的应用

猜想方法

概述猜想就是根据已知的原理或事实,对未知的现象、问题或规律所作出的一种假定性说明。

猜想方法是一种科学的思维方法,在物理学的形成、发展及物理教学和研究中,具有重要的作用。纵观物理学发展史,绝大部分物理现象的发现、物理定律或定理的建立,都是按以下所示的模式进行的。

经验事实→猜想→物理理论

在物理教学的过程中,我们解决探索性的物理问题时,从认识过程的角度看与科学家发现科学规律是颇为相似的。我们要认识的知识基本上都是未知的,都必须运用我们的已知去探索未知,在探索过程中会碰到种种困难,因此也需要借助科学的想像,进行猜测和猜想。

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