众所周知，天王星的发现是以后海王星和冥王星发现的前提，而后者则是牛顿万有引力定律的有力证据，应该指出的是，赫歇尔的天文学成就是多方面的，他是第一个确认太阳也在运动的学者，并由此开创了恒星天文学；他把万有引力定律应用到太阳系以外的天体上，发现了双星运动的物理本质；他第一个把天文学研究从太阳系扩展到银河系，开创了实测银河系结构的先例；他开辟了从星云到恒星起源演化研究的道路。此外，他还发现了天王星和土星的各2颗卫星。正是由于赫歇尔的这些伟大发现和开创性的工作，使其成为18世纪世界天文学和物理学天空中一颗最璀璨的明星。
（二）谈谈物理观察的方法
观察作为物理学研究的基础性工作，在其实际的操作中有着自身的程序和方法。掌握正确的观察方法，按照科学观察自身的规律和特点进行观察，就能获得满意的观察成果；否则，只能劳而无功或事倍功半。以时间为顺序，可以把观察过程简单地分为前期的准备阶段和实际的观察阶段，而正确的观察方法就是要切实做好各个阶段的工作，最终完成观察任务。以下结合观察的两个阶段各应做好的工作，来探讨观察的科学方法。
准备观察
前期的准备阶段，是观察的重要组成部分，不应该也不能视为可有可无。俗话说“不打无准备之仗”，道理就在于此。要完成观察任务，首先要从思想上和物质上做好充分的准备。只有这样，才能心中有底、临阵不乱。具体地说，前期的准备工作主要包括明确观察目的和设计观察方案两个方面。
（1）明确观察目的。
明确观察目的，是一切科学观察的出发点，也是科学观察与一般感知活动的根本区别。只有有了明确的观察目的，以后各环节的工作才有中心，才有依据。著名科学哲学家波普尔为了证明“观察始于目的”的哲学观点，曾做过这样一个实验。在一次讲演中，波普尔突然对听众们大声说：“女士们，先生们，请观察！”他的表情很严肃，两只手也没做任何暗示。
听众的反应是一片愕然，许多人莫名其妙地反问波普尔：“先生，您要我们观察什么？”这个实验生动地说明，只有有了明确的目的，才能进行有效的观察。
哥白尼进行天文观察的明确目的，就是要不断寻找能够证明托勒密理论的错误并证明自己理论正确的事实。于是，他几十年如一日，在他自己的小小天文台里进行着不懈的观察，记下了大量的观察事实，其中包括后来在《天体运行论》一书中引用的1512年、1518年火星的位置，1520年木星和土星的位置，1525年金星与月球的相遇等等。与哥白尼相比，第谷·布拉赫的天文观察目的更为直接，就是要精确观察并记录1000颗星。当然，这只是最基本的、表面化的目的。第谷的本质目的，也是要通过观察事实证实自己介于哥白尼与托勒密之间的折中理论体系。
1599年以后，第谷天文观察的另一目的是编制《鲁道尔夫星行表》，以报答奥皇鲁道尔夫二世对他的天文研究的资助。赫歇尔的天文观察目的已超越了哥白尼和第谷，他把银河系的结构作为自己的研究领域，他观察的初步目的，就是要数清银河系的星星。
由于有了明确的观察目的，所以哥白尼、第谷和赫歇尔都能在自己确定的观察范围内获取大量的有用资料，并由此导致了重大的科学发现。从这三位科学家的经历，我们也可以看到，明确的目的，远大的目标，是科学家们矢志不渝、为之献身的动力之一。
在物理学研究中，从观察与理论的关系的角度，可以把观察分为验证性观察与搜索性观察。一般而言，验证性观察的目的是相当明确的，这就是寻找证据，以证明某个理论是正确的还是错误的。
1873年，麦克斯韦的《电磁学通论》一书出版了。在当时的德国物理界，大部分人对麦克斯韦的理论持怀疑态度，但赫姆霍兹、玻尔兹曼等有远见的科学家则支持麦克斯韦的理论。
1879年冬，柏林科学院根据赫姆霍兹的倡议决定颁布一项科学竞赛奖，而竞赛题就是关于麦克斯韦部分理论的证明。赫姆霍兹希望他的学生赫兹参加竞赛。他对赫兹说：“这是一个很困难的问题，也许是20世纪最大的一个物理难题。你应该去闯一闯！”年轻的赫兹在老师的鼓动下，很想试一试，但不知如何下手。他问老师：“该从哪儿着手呢？”赫姆霍兹明确地答道：“关键在于找到电磁波！不然你就证明永远找不到它。”多么干脆的回答，多么明确的目的！赫兹以后就是在这个目的的驱使下，经过无数次艰苦的实验，终于在1881年观察到了电磁波，成功地证实了麦克斯韦理论的正确性，实现了物理学上的重大发现。
与验证性观察相比，探索性观察目的的范围就显得宽泛一些。它需要更长期、更系统地收集观察资料，以便在大量的观察资料中总结出某种规律。应该指出，探索性观察同样是在一定理论的指导下进行的，其目的虽不限于某种明确的实物或现象，但同样是在一定理论框架范围内探索某种规律。
19世纪中期，真空放电和电的本性的研究引起厂物理学家的兴趣。1838年法拉第在做低气压放电实验时观察到：把两根黄铜棒插入一支玻璃管两端做电极，抽去管中的空气，在两极通上电流；当把两根极棒分开时，一束光柱从负极发出，而正极是暗的；加大两极间距，从正极的一端向负极发出一束紫红色的光或紫色的雾，而且随着距离的增加光束在加长，但在光束与雾之间总有一暗区且暗区的长度几乎不变。后人把这个暗区叫做“法拉第暗区”。法拉第当时曾预言，这种放电现象也许会给以后的电学研究带来重大影响。
1857年，德国物理学家普吕克尔在大为改善的低气压条件下，开始了一系列的真空放电的探索性观察，获得许多新的发现：气压越低，法拉第暗区变得越大，阴极辉光区有所扩展，并且辉光会随磁场的变化组成形状不同的链带。最重要的是，他发现从阴极发出的粒子飞向玻璃管能使管壁发出荧光，荧光斑能被磁场偏转。
1876年，德国物理学家哥尔德茨坦经过一生的研究，得出如下结论：①这种射线不像一般的白炽灯丝发出的光那样向各个方向散射，而是从阴极表面垂直地发射；②这种射线与阴极材料无关；③这种射线还会引起某种化学反应，如可使放在真空管中的银盐改变颜色。并且，哥尔德茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，于是将它命名为“阴极射线”。
阴极射线是在探索低气压放电和法拉第暗区的观察中发现的，那么，阴极射线又是什么呢？由此，物理学家们展开了更大范围、更深层次的探索性研究，并由此导致了更为重大的物理发现。物理学史学家普遍认为，20世纪物理学革命的序幕是由19世纪末的三大发现拉开的。这三大发现就是1895年伦琴关于X射线的发现、1896年贝克勒尔关于放射性的发现和1897年汤姆逊关于电子的发现，而它们几乎都是由对阴极射线的探索研究引起的。
就观察的结果而言，验证性观察通常只有两种可能，即对理论或其预言要么证实，要么证伪。而探索性观察，则常常节外生枝、种瓜得豆，本来是为了探索某一类现象的规律或本质，但却得到超出原命题范围的、有意义的结果。因此，我们说探索性观察的目的应更宽泛一些，理由就在于此。不过，应该肯定的是，观察必须在明确的目的指导下进行。
（2）设计观察方案。
观察前期工作的第二个重要方面，就是依据观察目的和任务，设计一个科学有效的方案。观察方案对于观察的实施有着指导性的意义，关系到观察能否实现预定的目标。
当赫歇尔决定把他的眼光由太阳系转向更为广阔的银河系时，他首先为自己明确了观察目的，就是要数清在英国所能见到的所有恒星，然后根据它们的分布情况，初步确立银河系的模样。浩瀚的天空，星星挨着星星，如何能数得清呢？赫歇尔采取的方案是分区的办法。
1785年，他把天空分成了1083个天区，然后一个天区一个天区地反复观察、记录。在观察仪器上，赫歇尔采取不断改进的办法，以便把目光投得更远，看到更多的星星。l787年，他制成了焦距6米、口径50厘米的望远镜，以后的观察工作用的主要就是这架望远镜。1789年，他又制成了焦距12米、口径122厘米的望远镜，这在当时和以后半个世纪里都是世界上最大的望远镜。用这架望远镜，他又对各天区的观察记录做了许多补充。通过对观察数据的整理，赫歇尔得出银河系是一个扁平状体系的结论。
当我们需要观察的现象不能在自然状态下实现时，就需要人为地干预和控制，此时的观察实际上已是实验观察，而相应的观察方案的设计也就成了实验方案的设计。
17世纪初，人们在抽水时发现，吸气筒式抽水机无论如何也不能把水抽到10米的高度。从1638年起，伽利略注意并开始研究这一现象。他认识到，这是空气的重量引起的，即由大气压强造成的。如何观察到大气压强及其大小呢？
伽利略的学生托里拆利于1643年设计并实际做了一个著名的实验。他在长约1米、一端封闭的玻璃管内装满水银，用手指封住管口后将它倒立于水银槽中，然后放开手。这时可以观察到，原来达到管顶的水银柱下降到高于槽中水银面760毫米左右处便停住了。当把竖直的管倾斜一个角度时，水银面的高度仍然不变。
这个观察结果的意义在于：第一，证明了大气压的存在并得出大气压的具体数值；第二，证明真空的存在，因为当水银下降时玻璃管上端就形成了真空。这样，他就打破了2000多年来人们所信奉的“自然界厌恶真空”的亚里士多德教义。
与托里拆利准确观察大气压大小的目的不同，奥托·格里克的目的是要让人们观察到由大气压造成的奇特有趣的现象。
他于1645年设计并做了著名的马德堡半球实验：把两个相同的直径30多厘米的空心铜半球紧贴在一起，用抽气机抽出球内的空气，然后用16匹马分成两队向相反方向拉，马费了好大劲才把两半球拉开；而如果把铜半球上的阀门拧开，让空气经阀门流八球内，用手轻轻一拉，两半球就开了。这使人们非常直观、形象地观察到了大气压的存在及其产生的巨大力量。
一般说来，方案的设汁主要包括理论研究、程序安排和技术设计三个方面。
理论研究是指制订一个具体的设计方案，为此首无必须对与课题相关的理论问题有所涉猎，知道课题的来源、进展情况、发展动向，知道前人取得过哪些成果，他们取得这些成果时观察到哪些事实、采用了什么样的观察方式、这些成果是否完善，等等；从理论研究中发现课题的主要矛盾和关键环节，从别人的观察方式中借鉴有益的经验，作为设汁方案的依据。
第二个方面是观察程序的安排，主要包括可观察量的设定及其观察顺序的选取、观察时间的顺序和观察空间顺序的编排等。在一个观察方案中所设定的可观察量可能有很多，一般是先观察和记录起主导作用的量，然后再观察次要的量。
观察的时间不同，对许多观察的环境会造成很大的影响，时间的顺序和时机的安排对观察也起着重要的作用。例如，有的观察需要定时的、周期性地观察记录，有的观察则需要长时间、不间断地观察记录；有的观察必须在晚上进行，有的观察则必须在白天才能安排，更有的观察必须在一天中、一月中或一年中特定的时间段才可观察记录，等等。显然，时间及其顺序选取不恰当，就很难或根本不可能获得要收集的信息。观察空间及其顺序的安排，直接关系到记录数据的取样范围和先后顺序。例如，在对大范围天区观察时，要注意多观察区域交界处的重叠部分，以避免有所遗漏；对于某特定天区的观察，可由近及远或由远到近分层次地观察；对于细微结构的观察要应用放大手段，对于固定物体的观察要注意变换角度；对于温度计、直尺、秒表等基本仪器数据的读取，必须遵守各自的读数规则，等等。此外，仪器的组装及其操作，都有严格的顺序性，不注意空间顺序的安排，不但可能造成数据的遗漏和误差，而且还可能造成仪器的损坏，甚至导致整个观察的失败。
第三个方面是技术设计，这是方案设计的核心部分，主要包括观察方式的选取和观察仪器的选用与研制；在实验观察中，还包括实验原理。随着科学的发展与进步，观察的方式在不断的改进。
古代人类的观察大都是只应用感觉器官的纯感官观察，而现代的观察绝大多数都是使用工具的仪器观察。从对观察精度要求的角度来看，可把观察分为定性观察和定量观察；从是否对观察对象给予干预和控制的角度来看，可把观察分为自然观察和实验观察；从观察者所处的空间位置的角度来看，可把观察分为地面观察、高空观察和空间观察，等等。
针对不同的观察目的和所具备的条件，选择不同的观察方式是很重要的。例如，由于航天航空技术的发展而产生的空间观察方式，可以使天文学的观察突破地球大气圈的天然屏障，通过人造地球卫星进行天文观察，或者直接到某个天体上进行实地考察，以获得更可靠的观察事实材料。现代科学观察几乎都是仪器观察，因此根据观察目的选用合适的仪器或仪器组合是观察成功的关键。应该指出，一个全新的、特殊的观察，有时是没有现成的仪器可供选用的，这就需要观察者依据观察目的和一定的科学原理，歼发和研制出新的、适用的观察仪器。
实际上，科学观察中许多重要的仪器都是科学家们在实际观察中创造出来的。在现代的科学研究中，观察仪器的水平和现代化程度，几乎代表着一个国家的科学研究水平。
一个良好的观察方案，应有坚实的理论基础、科学的程序安排和先进的技术设计，当然，观察方案的优劣最终还要用观察实践来鉴别。所以，从这个意义上讲，观察方案有着一定的动态的意义，它要在实践中不断地加以修正和完善。
实际观察阶段
经过认真的准备后，观察开始进入实际的操作阶段。这一阶段既是要对前一阶段的准备工作进行检验，又要为以后的理论研究准备事实材料，是观察的最重要的、最实质性的阶段。这一阶段的工作主要是观察工具即仪器的应用和观察事实的记录。
（1）观察仪器的安装与应用。