从古代直至16世纪末，人类的观察都是纯感官的。17世纪初，望远镜和显微镜发明后，人类的视野在宏观和微观这两个方向上都得到了极大的延伸，色差问题得以解决后，更大大地提高了望远镜和显微镜的放大倍数。与近代物理学进步紧密相连的，是各种各样精密的观察仪器的产生，使物理观察实现了由纯感官到仪器、由定性到定量的转变。
在现代的物理观察中，几乎都要使用若干种仪器并通过一定的组合来实现观察目的，所以，仪器的组装、操作和程序设计就成为观察中的一项重要工作。
兰本达教授在她的《物理学家是怎样工作的》一书中，为我们详细地描述了李·奥尔索普和约瑟夫·乔德麦因应用受激辐射的微波放大器观测木星辐射的工作实况。我们看看他们是如何安装和使用观察仪器的。
“在晴朗的春季夜晚和夏季午后，当木星升起来时，李·奥尔索普和约瑟夫·乔德麦因经常带着他们珍贵的‘脉塞’（即受激辐射的微波放大器）来到首都华盛顿的海军研究实验室的屋顶……站在中央控制室里的乔德麦因先生操纵电钮，使碟状天线向北倾斜。奥尔索普先生按下栏杆上的电钮启动一个机构，将一个30英尺高的梯子竖起靠近天线的焦点。从焦点处伸出一个由结实的三角架支撑着装在矩形塑料罩里的聚积器。塑料罩的一部分延及到梯子顶部的平台上。奥尔索普把一个吊钩固定到‘脉塞，上以后就爬到这个平台上。他打电话给中央控制室里的乔德麦因说明他要到平台上操纵绞盘提升‘脉塞’离开地面……奥尔索普轻轻地把‘脉塞’放在平台上，并把它连接到主要设备上。”
“这两位大胆的实验者正在试图收到来自距地球7．77×108千米的木星的辐射……但是，就在进行现在这个使地球上的人们能够从木星的无声语言中看到木星表面温度的实验之前，已经过了两年半的思索和劳动，以及7年的开拓性工作。”
“在1958年8月5日这特定的一天，李·奥尔索普从早晨干第一件事起一直工作到午后5点，对‘脉塞’进行调整和充灌。在乔德麦因的帮助下，仪器最后安装到天线焦点处。午后2点，木星升出地平线，而现在它升高到东南方向的空中。由于下午天很亮，当然看不到它，但是在《美国的天体位置表》这本参考书上给出了它每天各小时所在的精确位置。位置可由安装在中央控制室的操纵盘来找到。在中央控制室里慢慢地旋转那个碟形天线到正确的方位，而后天线仰起指向空中……”
“在8月5日的夜晚，因为工作进入一个新的阶段，仪器需要一定的调整。乔德麦因和奥尔索普分别在中央控制室和天线焦点处通过电话联系进行细致的调节长达3小时，但仍没有得到必要的读数。他们把‘脉塞’拿下来，又对它进行了一些维修，直到夜里1点……”
“在那些令人愉快的日子里，‘脉塞’工作正常，天气晴朗，附近的雷达没有工作，风也很小，乔德麦因和奥尔索普已经取得了许多成功的进展从木星的语言中得到许多有价值的信息。基于观察9500兆赫频率的汁算给出木星在这一波长的温度为165K。这可能存在10％的误差。这两位哲学博士研究生要确定的另外事实是，木星的整个表面是否以均匀的强度发出9500兆赫的辐射。”
从这些摘录中我们可以看到，在进行科学观察时，仪器的安装、调整和使用是多么重要的工作，又是多么艰苦、细致的工作；日可以看到物理学家们对科学研究工作是多么严谨和多么敬业。
（2）记录观察事实。
实际观察阶段的另一方面，也是最主要的工作，就是记录观察事实。早期的观察记录都是手工的，包括数据记录和图像的描绘等，现代的观察一般都配有自动记录装置。近年来，许多观察仪器则直接与计算机相连接，不但可以自动记录数据、描绘图像，而且还可以按一定程序进行观察事实的初步处理。
现代物理学所涉及的空间范围，从电子半径的10-18米到100亿光年的宇宙天区的1026米，跨越44个数量级，而所涉及的时间范围，则从共振态粒子寿命的10-23秒到100亿年，贯穿40个数量级。在如此宽广的时空范围内，物质的存在和运动形式是千变万化、多种多样的。所以，相应的观察事实的记录方式也是多种多样的。
例如，对于天体运动，我们所关注的主要是它的运动规律、物理特征等，要记录的则是它在不同时刻的位置、亮度及电磁辐射等。这些观察通常可以用一定的量来表示，即可用一定的数据来表示。与此类似，在物理观察中，大量观察事实的记录是采用数据记录方式的，这正是现代物理学中定量观察的一个显著特征。
对观察事实采用数据记录方式时，特别值得注意的是，要设法减小误差。由分析可知，观察误差的来源主要有以下四个方面：①仪器误差，由仪器本身不完善及安装、调整不当引起的；②个人误差，由观察者生理、心理弱点引起的，所以它因人而异；③环境误差，由客观环境与仪器设备的要求标准存在着差异而引起的；④方法误差，由所采取的观察方法或方法所依据的理论本身的缺陷而引起的。客观地说，在定量观察中，误差只能尽量减小，而无法绝对消除。只有从理论基础、技术手段和思想方法上尽可能地减小误差，使记录的数据越来越逼近真实值，所得到的数据才能越来越有价值。
在望远镜还没发明的16世纪，第谷的天文观察就达到了误差不超过2角分的精度。而他之所以能获得如此精确的数据，主要因为他十分注意仪器的改进以及误差的分析与修正。例如，在记录行星位置时，他考虑到大气折射对观察引起的误差，并确定修正量的大小。
后来，开普勒从确定火星的轨道入手对第谷的大量资料进行整理时，发现用匀速及偏心轮体系计算时有8角分的误差。有人劝说开普勒：对于浩瀚无穷的宇宙，8角分的误差已是微不足道了，何必耿耿于怀呢？更何况，难道你就不怀疑第谷也可能记错吗？
但开普勒却坚定地回答：“我已经查遍第谷关于火星的资料，他20多年如一日的观察数据完全一致——火星轨道与圆周运动有8角分之差。感谢上帝给了我这样一位精通的观测者。这8角分决不敢忽视，我决心从这里打开缺口，改革以往所有的体系。”正是在坚持第谷记录数据不会有错的信念下，1609年，开普勒终于发现了行星运动第一定律和第二定律，1619年又发现了行星运动第三定律。
三定律的发现彻底否定了早已建立起来的行星运动的主观几何模式和托勒密的地心体系，并直接导致了牛顿万有引力定律的发现。开普勒曾回忆说：“就是这8角分误差为改造全部天文学铺平了道路。”可见，科学观察中，精确的数据记录是何等重要。
原则上讲，任何事物都有一定量的规定性，并且，每一种量郡从一个侧面反映了事物的某些本质特征。所以，从这个意义上讲，任何一个观察事实都有一定的量或数据可供记录。然而，在多样性的观察事实中，有的观察事实又的确不易于或不便于仅仅用数据加以描述：如有的过于复杂，无法用一个或一组数据进行全面描述；有的则过于短暂，以至于来不及测量或抽象出有用的数据；还有的瞬息万变，不能用某一静态的数据对其动态过程作完整的处理；更有的是意外相遇，观察者缺少心理准备而不知如何收集或提取数据，等等。在这些情况下，我们希望能把观察事实完整地记录下来，以便能有较充裕的时间从不同的角度对观察事实进行研究。这种完整的记录方式就是图像描绘法。
图像描绘法就是用作图的方式把某类观察事实完整地描摹下来。早期的图像描绘主要用手工的方式。随着科技进步，手工方式逐渐被照相和摄影所替代。特别是现代摄影技术，能把某一观察事实完整地、准确地、真实地记录下来，为科学观察的记录提供了很大的方便。
19世纪末物理学的三大发现，把物理学家的目光引向了陌生而神奇的微观世界。人们在探索微观世界时，首先希望知道微观世界究竟有哪些粒子、这些粒子有哪些性质、它们是如何运动的、相互之间有怎样的作用等。然而，困难的是微观粒子看不见摸不着，用什么方法去认识它、研究它呢？人们自然想到，如果能使粒子运动的踪迹显示出来就好了。
1911年，威尔逊发明了云室，实现了人们的梦想。从此，人们可以直接观察粒子的运动和相互作用情况，同时为观察的摄影记录创造了条件。
人们可以用照相机对着云室（后来发展为气泡室）拍摄粒子运动径迹，以积累观察事实。由于大部分微观粒子的寿命都很短，相互作用和发生变化都是在瞬间完成的，只有用照相的记录方式才能把全部信息完整地记录下来。所以，云室或气泡室加照相的方法，很快成了观察、记录和研究微观粒子的主要方法之一，并由此获得现代物理学的一系列重大发现：1911年，威尔逊从云室照片中找到了α粒子和β粒子的径迹；1923年，威尔逊在云室照片中发现了康普顿效应反冲电子的存在，毋庸置疑地肯定了康普顿效应的真实性；1925年，布拉凯特从云室照片中发现了原子人工转变的证据；1932年，安德森通过云室照片发现了正电子……
应该指出，无论是数据记录或图像记录，都应必不可少地辅以相应的文字说明。实际上文字不仅是观察事实的辅助记录方式，同时也是有别于数据记录和图像记录的基本记录方式之一。
（三）物理观察的原则
观察作为科学研究的基本方法，也是科学发现的重要途径，它有着自身的内在规律性和基本原则。掌握观察的内在规律，遵循观察的基本原则，观察就能获得成功，就能获取有价值的材料或作出重大的科学发现；反之，则只能导致观察的失败，甚至得到一些错误的结论，干扰或阻碍科学发展的进程。从物理观察的角度进行分析研究，观察实践中必须遵循以下几个原则：真实性原则、全面性原则、典型性原则。
真实性原则
真实是科学研究的灵魂，对观察当然也不例外。物理观察的基本任务是为建立或验证某种科学理论而提供事实材料。所以观察材料是否真实，直接关系到相应的科研成果的真实性，即关系到相应的科研成果的价值。
不坚持观察的真实性，凭着想像作出结论，必然使科学研究走向谬误。20世纪初的“N射线”的发现就是一个典型的造假事件，曾在物理学界引起一阵轩然大波。1895年，伦琴发现了x射线，引起了全世界的轰动。紧接着的1897年，卢瑟福在深入研究了放射性现象时，发现了α射线和β射线。3年后的1900年，维拉德进一步研究放射性现象，又发现了穿透力极强的γ射线。几种射线接连被发现，使人激动，令人鼓舞，更让人有点眼花缭乱。又过了3年，1903年，法国科学院院士、南希大学教授贝·布伦德洛宣布他又发现了一种新的射线——“N射线”。不久，至少有14位法国科学家声称也观察到了“N射线”。于是，“N射线”一时成为法国科学界的热门研究课题。
1904年，法国科学院还向布伦德洛颁发了荣誉级别极高的格兰德奖，以表示对布伦德洛工作的肯定，并鼓励其继续研究下去。在科学院的鼓励下，“N射线”的研究在法国更加活跃，大量的研究论文在科学院的《报道》上发表；同时，一场可笑的优先权之争也开始闹得沸沸扬扬。
当“N射线”被发现的消息公布后，各国的物理学家在重复实验时，却无论如何也观察不到“N射线”的存在。这些物理学家中包括英国的开尔文、克鲁克斯，德国的卢麦尔、鲁宾斯和美国的伍德等世界最杰出的实验物理学家。于是，“N射线”的真实性受到了普遍的怀疑。经过商讨，物理学家们决定推举伍德亲赴法国，去实地考察一下“N射线”究竟是怎么回事。当伍德走到布伦德洛实验台前时，终于弄明白了，原来主人们是凭人眼观察火花亮度的强弱来判别“N射线”是否存在的，而实际上火花的亮度根本就没有发生变化，也就是说，根本就不存在什么“N射线”，“N射线”只是凭感觉主观臆造出来的东西。考察结束后，伍德把他的考察结果发表在英国的《自然》杂志上，彻底地否定了“N射线”的存在。此后不久，“N射线”的闹剧终于收场。
应该说，科学家在进行某项观察时，总是不可避免地带有一定的主观色彩，但是，真实地描述观察结果、实事求是地记录观察事实是科学家基本的品质要求。
1912年，密立根在完成了那个著名的液滴实验后，决定开始第二项科研课题，即用实验检验爱因斯坦的光电效应理论。从一开始起，密立根就激烈地反对爱因斯坦的“天才猜想”，他要用事实彻底否定爱因斯坦的“关于能量转化的电磁光微粒假说”。他认为爱因斯坦光量子理论是一种“不可思议的”、“大胆的”和“粗枝大叶”的学说，呼吁人们“抛弃这种学说”。然而，经过3年的艰苦工作，密立根却得到了与他自己的预想完全相反的结果，即实验观察事实非常好地证实了爱因斯坦光电方程的正确性。
1916年，密立根写道：“我有时想，我有与那个方程不相容的证据，但当我工作的时间越长和我排除错误的来源越彻底，我发现那个方程能够更好地预言观察的结果。”不囿于自己的陈见，尊重观察事实，使密立根获得了成功，同时也促进了物理学的发展。
1923年，在密立根获得诺贝尔物理奖的仪式上，高斯特兰指出：“如果密立根关于光电效应的研究给出了不同的结果，爱因斯坦方程可能就没有价值了，玻尔理论也就失去了支持。”
全面性原则
物质的存在、运动和发展，有着自身的空间分布和时间演变。观察的全面性原则就要求人们从不同的角度、不同的时间对果一对象做全面的观察，全面地、系统地、动态地了解和掌握观察对象及其运动规律。
客观地说，人类认识事物总是由浅入深、由片面到全面的。
但是，当有些人对某个事物有了一定的认识后，往往就认为已经全面和完整地把握事物了，而不愿做更深入、更全面的观察和分析；更有甚者，在听到与自己观点不同或相反的见解时，则无法容忍，拒绝接受。