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人类是在不断地改造自然的过程中，认识自然并积累起关于自然界的知识，进而提高改造自然的能力。对于自然现象和客观事物规律的认识，始于观察。观察是一种有目的、有组织的主动认知活动，认识复杂的自然现象和过程需要较强的观察能力，但仅仅通过观察不一定得到正确的科学结论。如物理学发展史上“重的物体下落得快”“物体的运动需要由力来维持”就是典型的例子。人类对自然规律的把握，除了通过观察获得第一手资料外，还要依靠人类特有的思维能力、逻辑推理能力和想象力。此外，任何自然现象都是由纷繁复杂的现象、错综复杂的运动、多因素相互作用组成的，而人类总是在追问物质运动的最本质规律和特征是什么。因此，人类在认识自然的历史中，在观察、实验的基础上，通过分析、综合、比较、抽象、概括、推理，对研究对象进行简化抽象、概括模拟和突出本质特征，形成了物理学研究中的物理模型方法。