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1、第二章物理文化的知识构建第二章：物理文化的知识构建 物理学的知识体系，作为物理文化的一个子系统，有其构成的基本原则与方法。物理学知识体系是在对物理事实的观察和实验的基础上建立起来的，但是物理观察和实验结果的简单地堆积还不是物理学。物理知识体系,是由一系列的物理概念、物理定律、定理及其推论，按严密的逻辑关系，借助物理学语言符号有机地组成的。本章首先研究物理文化知识体系构建的基本要素: 物理语言,物理概念,物理规律；然后阐述物理知识构建的基本原理。一、物理语言的特点与类型 1、 物理语言的作用语言是思维的直接实现，它以语音或文字为物质外壳，以语法为结构规律，而构成的人类特有的一种信息系统，是人用来

2、交际和思维的有力工具。物理语言是一种特殊的语言，同样具有语言的基本特征。在物理科学认识形成的过程中，科学事实是物理学科认识的直接基础和前提。尽管物理事实的获得方式可以不同，但是物理事实的表现方式物理语言，却是不可缺少的。物理事实必须通过物理语言的表达、记录、贮存和传递才能表明其存在。例如观察和实验是获取物理学科认识的两个基本途径，而物理实验和观察结果，要运用物理语言加以记录、整理和传播、描述和记录被观察到的对象是什么？它有哪些性质和属性等，所以不借助物理语言就不能在观察和实验中得到确切的科学事实。物理学的科学概念必须借助语言才能形成，爱因斯坦指出：“如果一个人构成或者可能构成他的概念时，可以不

3、用周围的语言来指导，那么我们就可能倾向于认为思维的作用是同语言完全无关的。但是在这样的条件下生长起来的一个人的精神状态是非常贫乏的，因此我们可以下结论说一个人的智力发展和他形成概念的方法很大程度是取决于语言的。”物理概念与物理语言有着直接的联系，物理语词是科学概念的外壳及存在形式或表现形式。物理定律也要以语言为其存在形式或表现形式。物理定律，如果从科学语言的形式来看那就是在科学语词的基础上所构建的科学语句，是物理语言中的一个科学陈述。物理语言不仅是科学认识成果的表现形式，同时也是进行物理科学思维的基础，离开了物理语言，是无法进行物理科学思维活动的。抛开科学语言的赤裸裸的科学思想、科学认识是不存

4、在的。我们在进行抽象思维活动时，并不直接与客观事物的形象发生关系，而是要借助于科学语言才行。所以科学语言是进行科学抽象思维的工具。在物理概念、物理定律和物理理论形成的同时，就同时产生了表述它们的物理词语。语言是交际工具，是为了满足人们交际需要而创造出来的。语言是手段、工具，人们利用它来彼此交际，交流思想。而物理科学语言则是人们进行物理科学思想交流的手段，在两个具有物理知识的人之间，就可以用物理科学语言交流，由甲提到牛顿运动定律，乙就会立即作出反应，即使在不同民族之间时行交流也是可能的，只要甲写出F=ma,乙在自然语言不通的情况下也明白甲表达的意思。物理学科学思想、学知识的传播，既可借助有声语言

5、进行，也可利用文字语言形式进行，文字语言的中介物主要有物理科学期刊、物理著作等文献资料。总之物理语言不仅具有表述人们关于自然界物理现象和规律的认识成果的作用，而且具有交流和传播物理科学认识成果的作用。2、 物理语言的特点物理语言具有一般语言的特征和功能，而它又是人们创造和使用的一种特殊的语言形态，因而它有自己的个性特征。物理语言是由一定音、形、意等要素所组成的符号信息系统，它具有表达、记录、加工、传递、贮存物理科学信息的作用。物理语言的主要特点有：第一、语词的单义性。物理词语是专门用于科学认识中作为表达物理知识意义的词和语，它是物理概念的物质外壳。在生活用语中，一词多义现象很普遍，但是在物理学

6、中作为科学术语的词却不能如此，其意义是单义的。例如动量、电子、电场强度、波函数等，它们的意义都是固定的、单义的。第二、语句意义的确定性。语词意义的单义性，在语句中就要表现为其意义的确定性，或者说，物理语句的确定性，由物理语词的单义性所决定的。我们举个实例来看，“在一个与外界没有电荷交换的系统内，在任何一个时刻存在系统中的正电荷与负电荷的代数和始终保持不变。”这个语句的意义非常确定，阐述了电荷守恒这个客观事实。物理语句的确定性，实质上反映了物理概念、物理定律和物理理论在一定历史时期内，其意义具有稳定性和确定性。第三、严密性。物理语言有严谨致密的结构，这同日常用语的松散结构有鲜明的不同，它不容以偏

7、概全，不允许臆测、推断，它还必须遵守一定的语序。例如，光的反射定律一定要说反射角等于入射角，而不能说入射角等于反射角，尽管这两个角是相等的，但是语序的不同，将造成因果关系的倒置。第四、物理语言形式的单调性。在物理语言中词语意义的固定性、语句意义的稳定性，就决定了物理语句在结构形式上的单调性。物理定律、定理都是一些判断形式。物理语句就是用来表述这个判断形式的，而且这种表述一般大都是完整的陈述句的形式，它总是对认识对象的性质、本质、及内在的必然联系，给予某种肯定或否定。就这一点来看物理语句具有简单性的特点。例如热力学第二定律的克劳修斯表述为：不可能把热量自低温物体传到高温物体，而不引起其它变化。第

8、五、物理语言具有一定的国际性。物理语言的国际性，主要是由于自然界物理规律的普适性决定的。物理学规律的发现过程本身就是国际化的，那些被国际公认的概念、定律、定理的语言表述，有的通过符号语言表达，符号语言在国际上的交流传播都是通用的。第六、物理语言的发展性。人类认识的不断深化，物理学的成果总是不断地增加，作为物理成果表现形式的物理语言也必然随之增长。物理语言在表述新的物理概念时，它可以直接创造新的物理术语，也可以选择已有的术语把它应用到新的领域中。例如“能量”一词就是能量守恒定律被揭示出来后，才引入的物理学的，再如“动量”、“角动量”、“激光”、“电阻”、“电流”、“熵”等在日常生活中没有这些词，

9、而是通过汉字，根据需要创造的新词汇。另外在物理学中常常把物理学家的名字引入术语中，有的是重要的物理常数，如普朗克常数、阿伏伽德罗常数；有的是重要的科学概念，如力的单位牛顿、功和能的单位焦耳、电流强度的单位安培等等，有的是重要的科学定律或方程，如牛顿运动定律、麦克斯韦方程组、薛定谔方程、阿基米德原理等等。3、 物理语言的类型物理学的认识成果，有不同层次，有定性的现象描述，有半定量的经验公式，还有全定定量的物理公式。这些认识成果的不同形式使得物理语言表现为不同的语言形态 ，其内容也在不断地丰富。物理语言主要分为自然语言和符号语言。自然语言是在人类社会历史的发展中，由社会成员长期生活交际需要逐步发展

10、起来的。各个民族的语言如汉语、英语、俄语等都属于自然语言，自然语言从一开始就产生于人们的劳动过程的交往活动中，它是千百代人共同创造的产物。每个民族都要使用共同的语言说话，以后又使用文字书写来实现彼此之间的交往和文化知识的传授。自然语言在长期的发展过程中，经过各民族的千锤百炼、精益求精不断完善。它已能生动、鲜明地表现人们的思想，尤其是自然语言可以脱离具体的感性材料后，使人们的理性思维进一步地得到发展，它的这些长处使自然语言成为最初的基本科学语言。自然语言对于定性的规律、物理概念的表达提供了基本的工具，成为物理语言的基本组成部分。除了自然语言外，符号语言也是物理语言的重要组成部分。科学的符号语言既

11、带有符号的特点，它又是科学内容和符号形式的统一。由于符号语言的使用，为不同民族的物理学家、物理学工作者都能接受而省略了不少纯语言的叙述，为科学认识成果的交流提供了良好的条件，而且它以压缩的形式表述了较多的知识信息，具有很大的简洁性。物理符号语言中的符号形式是一种特殊符号的运用，它通常用英文字母和希腊字母中一些字母代替物理术语，形成一组符号系列，它表述了一系列的物理概念、物理定律、物理定理。如以F表示力，m表示质量，v表示速度，E表示能量，C表示光速，等等。然后在科学术语符号化的基础上，就可以把一些科学语句以符号的表达式或公式的形式表现出来。科学的语句，一方面是由科学词语、科学术语组成的，另一方

12、面科学语句又是对科学定律的表述。这种符号表达式或公式就能把科学定律完全符号化。例如牛顿第二定律以符号表达为：万有引力的符号表达为：电磁感应定律的符号表达为：把物理定律与符号表达式之间建立起一一对应关系后，往往就使符号表达式具有数学符号运算的意义，可以与数学符号处于相同的地位，像数学运算一样，对符号的运算过程中只保留符号之间的关系，而把符号的含义暂时抛开，只在运算的结果中再来赋予符号意义。应该指出，物理符号语言是物理语言的重要组成部分，物理学是应用符号最多，数学化程度最高的一门学科。 二、物理概念的形成与特征1、 什么是物理概念物理概念是人们在认识自然界物理现象的过程中，逐步形成的，物理学概念不

13、是物理学家主观臆造的东西，而是基于观察和实验事实之上的揭示事物物理本质和内在联系的理性认识。在科学研究中，只有形成了科学概念，把握了自然现象的本质，才能开始理性的思维活动。物理概念是物理学理论的结构要素，或知识单元，它们是物理学家们有力的思维工具，一个新的物理概念往往成为深入研究物理问题的逻辑起点。任何一个物理概念都有它明确的内涵和外延。物理概念的内涵是该概念所反映的物理事实的本质属性。例如：加速度概念的内涵是“运动速度对时间的变化率。”力概念的内涵是“物体间的相互作用。”这两个概念撇开了具体的速度变化情况或具体的相互作用形式，概括出同类物理事件所具有的本质属性。物理事实（或现象）是感性认识的

14、成果，而物理概念是理性认识的成果，物理概念是对物理事实的理性总结和概括，概念离不开事实，源于事实。物理概念的外延指的是该概念所涉及的一切物理事实的范围和条件。如力概念的外延是具有物体间发生相互作用这一本质属性的各种类型的力，如万有引力、弹性力、电磁力等等。2、 物理概念的特点（1） 专义性每个概念都反映了客观事物的特定内容，都有自己的内涵。但是常识概念中常有一词多义现象，如“工作”一词，至少包含三个意思：从事体力劳动或脑力劳动，也泛指机器受人操纵而产生作用。例如可以说，某人工作很积极；复印机预热后就可以开始工作。职业。例如可以说，进城的民工太多，他们很难马上找到工作。业务、任务。可以说，某人的

15、工作量不饱和。再如可以说，高校教师教学工作和科研工作同等重要。在中文中由于一词多义，概念转义情况很多，一个概念究竟是什么涵义，常常需要推敲上下文的关系才能确定。这样就使概念的明确性受到损害，词语常常发生歧义，而使人们误解概念的内容。与此不同，物理学概念在一定历史时期内具有确定性，或者说专义性。一个概念在物理学中只有一个确定的涵义。例如“功”概念在物理学中，它是描写力对空间的积累作用的物理量，恒力做功的定义是：力在作用点位移方向上的分量跟位移大小（）的乘积，即：W（功）=FScos,式中为力和位移两个方向的夹角。再如“重力”概念的涵义是忽略地球自转的情况下，地球表面上或地球表面附近的物体受地球的

16、吸引力。（2） 精确性物理概念不仅概念专一，涵义明确，而且概念的涵义具有一定的精确性，精确性往往可以用定量方法来计算。如前所述，功的数值可以精确地用W=FScos计算出来，而重力的数值用P=mg计算，其中m为物体的质量，g为重力加速度。再如加速度=；电场强度=等等，大量物理概念都可以用数学形式来表述，这就是从一个侧面反映了物理学的精密的定量科学的特征。一门科学愈是成熟，愈是发达，其概念的定量化程度就愈高，愈能用数学形式来表达。这样科学概念较之常识概念更加清晰明确，不会发生含糊不清的现象。（3） 稳定性物理概念作为客观事物的反映，具有相对稳定性，在一定历史条件下，人们公认的物理概念，代表了那个时

17、期人们的认识水平，物理概念的涵义在传播和交流中是不容任意更改的，这就是其稳定性。但是随着生产力水平的发展，人类认识水平的提高，人们对自然界客观事实认识会更深刻、更精确。因而对某些物理学概念和内涵要进行重新定义，或产生一些新的物理概念。物理学概念的变化和发展不是孤立进行的，而是随着理论体系的变革和发展一起进行的。即是说物理学中重要概念的变革，这意味着理论体系的更替。例如本世纪初相对论和量子力学的建立，首先是对经典物理概念的革新。（4） 可操作性大多数物理概念的数量可以通过一套测量程序直接或间接测量。例如，力、质量、温度、电流、电压、电阻等物理量，可以通过仪器直接测量，速度的数值可以通过测量长度和

18、时间得到。某些微小的难以直接观测的物理量，如波长也可以通过干涉实验进行计算得出。对于某些只具有定性特征的物理量仍然可能通过实验现象来进行观察，如惯性概念，光的干涉现象，超导现象等等。许多物理概念的数量可以由任何人用同样的实验条件来重复、再现和测量，这就是可操作性，或可检验性。（5） 国际性物理学概念的建立是一个国际性的过程，一个物理概念，只有在国际范围内得到公认，才能被确立下来，一经被国际物理学界接受，就不再受国家、民族的限制，成为全人类共同的财富。全世界只有一门物理学，并且使用同一的物理概念，尽管各国物理学家的母语不同，但是他们所述的物理科学概念和物理概念所反映的事物的本质属性却是同一的。3

19、、 物理概念的类型物理学由于其发展历史长，涉及的内容多，物理概念的数量也相当多，把它们进行科学的分类有相当的难度。下面我们粗略地把物理概念分为四个大类：（1） 抽象模型概念物理学中具有大量的物理模型，而这些物理模型往往是理想化的抽象模型。所谓理想化的物理模型，就是利用理想化方法，抓住事物的主要特征和性质，舍去特定条件下无关紧要的因素，而建立的抽象模型，也即物理概念。例如：质点、刚体、弹簧振子、点电荷、理想气体，无限大平面，纯电阻、卢瑟福原子模型，绝对黑体等等。这些理想模型是自然界不存在的东西，是人为地建立的，它的建立具有客观基础和现实意义。客观存在的事物，包含各种矛盾，因而具有多方面的特征，但

20、在一定场合，一定的条件下，必须有主要矛盾或矛盾主要方面，这种主要矛盾就构成建立思想模型（物理模型）的客观基础，这些物理概念近似地反映了客观事物的本质。（2） 现象描述概念人类认识事物总是从观察开始的，观察是认识的基础，许多科学上的重大发现都是建立在周密、细致、长期的观察基础上的。人们仅仅在自发的情况下，考察自然界的物理现象，往往进展缓慢，而且观察到的现象也很有限。物理学家们为了更好地认识自然界的物理现象，根据研究的目标，利用科学仪器、设备人为地控制或模拟自然现象，排除干扰，在有利条件下研究自然规律，对观察和实验现象的科学总结就构成了物理概念。我们不妨把定性描述物理现象的这类物理概念称为现象描述

21、概念。这类概念在物理学中很多，例如：x射线、粒子散射、牛顿圈、光的干涉、光的衍射、热辐射、电流的磁效应，热膨胀等等。（3） 定义概念物理学发展到近代成为一门高度数学化或者说定量化的学科，仅仅依靠从实物和实验中抽象出来的物理概念，在进行数学推演时还远远不够，所以理论体系构建，往往还学院定义若干概念，这些概念比起前两类概念来，更为抽象，通常都由几个量组合而成，例如功就是一个定义概念，在现实中没有一个直接的物理模型可对应，再如电场强度=是反映带电体性质的一个物理量，再如电容C=，电流强度I=等等。定义概念虽然抽象，但它们也不是物理学家们主观臆造出来的，而是反映了隐藏在现象背后的实物的客观本质，因而更

22、深刻，往往是构建理论体系的逻辑起点。（4） 物理单位概念在许多情况下，仅有数值如5、7、15等其含义是不具体的，往往不足以说明一个物理事件，在物理学中几乎没有纯数值的问题，每个物理量都有相应的单位，作为物理单位的物理概念数量很大，但根据性质可以分为基本单位和导出单位两种。在国际单位制中规定7个量为基本量，它们是：长度单位名称为米；质量单位名称为千克；时间单位名称为秒；电流强度单位名称为安培；热力学温度单位名称为开尔文；物质的量单位名称为摩尔；发光强度单位名称为坎德拉。这7个基本单位概念的涵义国际物理学界有非常明确的规定。如米的长度等于氪86（）原子的2P和5能级之跃迁的辐射在真空中波长的165

23、0763.73倍。导出单位数量很大，如力的单位为牛顿，功和能的单位为焦耳，压强的单位为帕斯卡，熵的单位为焦耳/开尔文，电场强度的单位为伏/米等等。它们依据该单位的定义由物理公式导出。物理单位概念，在物理学中很重要，它们是物理知识体系的重要组成部分。4、 物理概念的形成人类对物理学的基本概念的建立和完善经历了较为漫长的历史过程。一个物理概念的建立，往往需要经历几年、几十年，甚至成百上千年的探求。原子这个概念就是一个典型的例子，2000多年前古希腊哲学家德莫克利特就提出了原子概念，他人为所有物体都由数不清的小得人眼无法看到的粒子集合而成，这些粒子就叫做原子。他认为原子代表着物体分为越来越小部分的最

24、后阶段，是物质的最小单元。现代原子概念认识更加深入，打破了原子不可分、不可变的古老观念，以原子概念创新为起点，建立了分子和原子的物理学和核物理学等学科。物理概念的形成，总的来说是对观察核实验事实进行高度的抽象，揭示出某一物理事实的本质特征。但形成物理概念的内部思维机制比较复杂，其形成的方式也是多种多样的，有的是从常识概念转化而来，如运动、时间、空间等；有的则是从原始的科学概念演变而来，如原子、电、温度等；有的解释某些观察现象核实验事实而创造出来的，如光量子、波函数等。学习者在自己头脑中形成正确的物理概念，与我们上面说的不是一回事，学习者要形成科学概念，首先要克服学习者头脑中先入的错误的概念，形

25、成新的认知结构，才能真正接受教师传授的科学概念。三、物理规律的特征与功能 1、物理定律的形成自然界存在着许多带有规律性的东西，如寒来暑往的四季变化，地球表面上抛起的东西总是落回到地面上，但是自然界展示的这些现象，其深层的本质并不是显而易见的。要对这些现象做出合理的解释，就需要人们进行长期周密的观察，进行科学的思维活动，物理定律正是人们这种思维活动的结晶，就是在观察和实验的基础上，借助抽象思维对物理事实进行由表及里、由此及彼、去粗取精、去伪存镇的加工制作的结果。物理定律作为科学认识的成果，是对物理概念的进一步展开，或者说是在物理概念的基础上，进一步反映物理现象之间的内在关系，揭示出有关物理量之间

26、的本质联系。物理定律揭示自然现象的稳固联系，只要具备定律所给的条件，由定律所确定的现象或过程就必然发生。如物理学中的牛顿运动三定律、万有引力定律，动量守恒定律，能量转换与守恒定律，热力学第二定律，都是从自然界揭示出来的重要物理定律。物理定律的形成是一个复杂的创造性思维过程，不可能将形成过程归结为一些机械的步骤，也不只是一种或几种形式逻辑的推理方法就能把它们构建出来。往往既需要有归纳、类比、抽象，又需要有假说、分析、综合，还需要有直觉、灵感、顿悟。各个定律形成的过程千差万别，这个定律可能主要靠归纳获得，那个定律可能靠类比获得，而另一个定律可能主要靠直觉和顿悟获得。例如开普勒在大量观察数据的基础上

27、，设想出行星运动可能采取的轨道和各种形式，在此之后他将每一种行星运动的形式与观察到的事实进行比较，发现只有椭圆轨道与观察的事实相符。即他主要依靠对比方法。而牛顿主要依靠归纳方法得出牛顿定律，而欧姆则根据类比得出部分电路的欧姆定律，麦克斯韦方程组则与两个假说分不开。2、物理定律的简洁性物理定律往往具有简洁性，它们绝大多数通过数学公式定量地把定律的内容表示出来，这就为物理学成为精确的定量科学打好了基础。伽利略说过，宇宙这部书是用数学语言写成的。数学语言具有简明精确的特点，它抛开具体内容，只涉及抽象的数量关系，使数学公式表达的物理定律达到了真和美的统一。例如万有引力定律的文字表述为：宇宙间任何两个物

28、体都互相以一力吸引着，这力和两物体的质量成正比，而和它们之间的距离的平方成反比。数学形式为：正是这个万有引力定律揭示了从宇宙间星球之间的作用规律，到抛体为什么会落回地面，以及潮汐等表面上毫不相干的物理现象的共同本质。再如：动量守恒定律表述为：质点系在不受外力或所受的合外力为零时，该质点系的总动量保持不变。数学形式为：=也即是当系统所受的合外力为零时，质点系在任何时刻的总动量等于原来的动量。这一定律是自然界的一个重要定律，既能解释宏观的反冲现象，又能解释微观粒子的碰撞现象，还为火箭的研制提供了理论基础。从以上的举例，我们已能体会物理定律的简洁性。3、物理定律的近似性物理定律从实践中总结出来后，就

29、可以用它来解释有关现象和预言在某种情况下会有什么现象发生。但是物理定律是对自然规律的近似反映，其并非完全逼真和绝对无误。也就是说物理定律的深刻性和普遍性是有限的。物理定律为什么会有近似性呢？这是因为：第一、科学认识受一定历史条件的限制，即人类自身的认识水平、观察和实验条件限制了物理定律的精确性。第二、人们测量工具和手段的不完备性，导致物理量测量的不准确性。加之人们用来反映物理规律的数学手段（公式）是有限的，很适合描述自然现象的简单的数学公式不多，人们只能选择那些与真实情况最接近的公式，因而不可避免地带来误差。第三、许多物理定律常常忽略掉一些次要因素，将物理问题限制在一定的条件下，然而才加以抽象

30、概括，归纳总结出来的，这本身就对自然现象作了一定程度的简化。物理定律的近似性并不减少它的客观意义，物理定律虽然不是绝对准确，但却也是近似地比较正确地表示出物理现象的规律，并且它们的准确性程度还会随着人们对周围自然界认识的不断深化而日益提高。例如对宏观、低速（与光速相比）物体的机械运动，牛顿定律就相当精确了，而对微观高速世界的规律，牛顿力学就不准确了，但是相对论力学弥补了这一缺陷。4、 物理定律的功能物理定律作为人类科学认识的重要成果，具有多方面的作用（或功能）。第一、物理定律是物理理论的核心。物理定律已经不是对物理事实的简单陈述，而是舍去事物片面的认识，抓住事物本质或规律的东西，是对事实的理论

31、概括。物理定律和概念是构成物理理论的两个基本要素。物理理论是物理科学成果的系统体现，它对某一领域的事物或问题提供了系统的解释或解释方案，完整地反映这一领域的事物及其过程的本质和规律性，而这种反映则是通过一系统的物理概念、物理定律合乎逻辑的联系和转化来实现的。物理理论是由物理概念和物理定律构成的有机整体。例如牛顿力学理论就是由质点、力、质量、惯性等基本概念，牛顿运动定律、万有引力定律等一系列物理定律，及由之推演出来的定理及推论组成一个有机整体。这就说明了物理学基本定律在物理理论中的核心作用。第二、物理定律是解释自然现象的有效工具。人们科学认识世界的重要任务，就是要回答“为什么”的问题。自然界的许

32、多现象，人们是不容易看到它的本质的，因而人们总会发问：“为什么会有四季变化呢？”，“为什么地球表面附近的东西都要往地面落下，而月亮不会落下来呢？”，“为什么水总是从高处往低处流，永不停息？”，“为什么摩擦能生热？”等等。要回答这些自然现象，必然要借助物理定律。例如，要说明“月亮为什么不掉下来”用万有引力定律就可以了，在月地系统中，存在着万有引力F，它为绕地球作圆周运动的月亮提供了向心力，月球既然要作圆周运动就不可能从天空中掉下来。这种关系正是自然界的和谐完善和美妙之处。再如能量转换与守恒定律，可以解释许多自然现象，包括地表水总是川流不息，循环往复。第三，物理定律可以作出科学预言。牛顿理论的成功之处不仅表现在它能对许多自然现象作出解释，而且表现在它曾作出过伟大的科学预言。天王星发现以后，人们发现天王星轨道的理论计算总是同实际预测有出入，要么是牛顿理论不正确，要么是一个新行星对它的摄动的结果，法国的勒维列利用牛顿理论算出了它的位置，德国天文