浅谈物理学中的理想实验方法

理记涛，谷　雨，王莉华

(1.周口师范学院 物理与电信工程学院，河南 周口 466001;2.周口市第一高级中学，河南 周口 466001)



浅谈物理学中的理想实验方法

理记涛1，谷雨2，王莉华1

(1.周口师范学院 物理与电信工程学院，河南 周口 466001;2.周口市第一高级中学，河南 周口 466001)

理想实验方法是物理学教学与研究中的一种重要方法. “理想实验”对物理学的形成和发展，对物理理论的补充和完善起着重要的作用. 同时它又是物理教育的重要组成部分，在物理教育中引入“理想实验”，对培养学生的想象力、创新思维及抽象思维能力都具有十分重要的作用.

物理教学；理想实验；研究方法

众所周知，物理学是一门以实验为基础的自然科学. 世界著名物理学家丁肇中曾经说过，“物理学是从实验中产生的”，这句话道出了实验与物理学之间的密切关系. 从物理学的发展史也可以看出，物理学中的许多重大发现和重要理论的提出，都是以实验为基础的. 这其中，理想实验发挥了重要的理论思维作用，使“人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景”. 理想实验在不断丰富和发展物理学内容的同时，也为物理学习提供了良好的材料[1]. 在物理教学中，教师有目的地提出和应用一些理想实验方法，不仅可以大大提高学生的学习兴趣，还能开拓和发掘他们的创新意识和创造能力，同时也可以培养和锻炼他们的逻辑思维能力，这对提高学生的科学素养有很大的促进作用.

1　理想实验概述

“理想实验”，又称“假想实验”“抽象实验”或“思想上的实验”，是人们假想出来的实验过程，是一种用思维逻辑来推理的思维过程[2]. 在研究物理学理论知识时，理想实验起到非常重要的作用. 例如，古希腊哲学家亚里士多德认为力是维持物体运动的唯一因素，这使得公元前四世纪的人们都有这样一种错误的认识. 而伽利略借助理想实验的方法提出了科学的观点，彻底推翻了亚里士多德的错误理论，从而使物理学的发展有了新的突破. 近代以来，尽管新的科学技术飞速发展，但理想实验的重要地位仍然不可取代，理想实验仍是创建新理论的最实际有效的方法，其在物理教学中的地位尤为重要，因此理想实验方法仍被广泛应用[3].

2　 理想实验的特性

理想实验是一种把逻辑推理作为主线的思维推理过程，其作为一种抽象思维方法，巧妙地将物理思想、数学演绎和一般性实验结合于一体，是连接抽象的理论逻辑和具体经验知识的枢纽[4]. 理想实验是在不使用任何实验仪器设备的特殊情况下，仅依靠思维推理和大胆想象进行的实验. 理想实验以真实的科学实验为基础，采用了理想化的处理问题的方法，即突出了问题的主要方面，忽略了其次要方面，因此并不是完全脱离科学实际的主观臆想，而是在科学的思想中建立理想的过程，通过逻辑推理，并利用理论分析等方法揭示出物质世界的本来面目.

3　 理想实验在物理学发展中的作用

物理学是以实验为基础的，科学家通过实验来研究物理学中的问题，从而得出物理学的理论. 从物理学的发展史可以看出，无论是经典物理学还是现代物理学的建立和发展，理想实验都起着十分重要的作用[5]. 例如，在经典物理学中非常重要的牛顿第一定律，就是通过“理想实验”而得出的. 在古代，亚里士多德凭借经验和直觉，认为力是维持物体运动的原因，也即是说必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来. 而被称为“近代物理之父”的伽利略则通过他著名的“斜面实验”推翻了亚里士多德的错误理论，从而奠定了经典力学的基础. 在该实验中，首先让一个表面光滑的金属小球从一个光滑的斜面顶端滚下，又滚上第二个同样光滑的斜面，发现小球所能到达的高度和它从第一个斜面开始滚下的高度相等. 不断减小第二个斜面的倾角，并重复上述实验，发现小球在这个斜面上仍然可以达到相同的高度，但这时其运动的距离会远一些. 于是，伽利略猜测：如果不断减小第二个斜面的倾角直至为零，小球将会运动多远呢？显然，假如第二个斜面(平面)足够长的话，小球将以恒定的速度在此斜面(平面)上永远运动下去. 当然，这个实验是无法实现的，因为第二个斜面(平面)不可能无限长. 因此说伽利略的这个实验是一个“理想实验”，但是它却从本质上揭示了自然界中物体运动的规律. 后来，牛顿以此为依据，进一步总结，得出了著名的“牛顿第一定律”.

在近代，以“相对论”和“量子力学”为支柱的整个现代物理学的发展也离不开理想实验. 例如，爱因斯坦在创立相对论时，也使用了理想实验的方法，并以此为基础提出了同时性的相对性概念，而该概念的提出则是建立狭义相对论的一个关键[6]. 因此，从某种意义上来说，理想实验是物理学理论的基础，同时也是物理学发展的根本动力，它是建立新概念、探索新理论的一种重要研究方法，在物理学的发展中起着不可替代的作用.

4　理想实验在物理教学中的作用

物理教学过程不仅是传授物理知识的过程，更是培养学生独立思考的意识和能力的过程. 爱因斯坦曾经说过：“对真理的探求比对真理的占有更可贵.”[7]可见，学生通过思考，主动探索知识对他们的学习和成长尤为重要. 因此，作为物理教师，在教学过程中要充分运用理想实验对学生进行思维训练和物理思想的培养，充分强调理想实验的实践性，并突出其思想性.

4.1充分运用理想实验建立科学概念

在“牛顿第一定律”、 爱因斯坦的“时间相对性原理”和“非惯性系与引力场等效”等章节中，通过运用理想实验这一特殊的教学方法，可以使学生较快的建立物理概念，有效理解和熟练掌握物理规律，帮助学生提高分析问题和解决问题的能力与技巧.

4.2应用理想实验巧妙呈现物理规律

在物理教学中，加强理想实验教学，可以提高学生应用物理知识解决实际问题的能力，使学生更早地具有“物理头脑”[8]. 例如在学习“凸透镜成像规律”一节时，可以设想一个理想实验过程，即一个人(可以想象为学生本人)沿凸透镜主轴从无穷远处向凸透镜匀速走来. 刚开始，人在无穷远处，成像在焦点附近，所成的像类似一个小圆点. 随着人逐渐靠近凸透镜，所成的像也逐渐变大. 因为像运动的频率与人走动的频率相同，所以在成缩小实像时，像运动的速度始终小于人运动的速度；当成放大的实像时，实像变大如同巨人一般，人和像的运动频率仍然相同，这时像运动的速度明显大于人运动的速度. 这样，可以让学生在头脑中建立物理情景，从“思想上”参与这个实验过程，从而激发学生学习的积极性和主动性，帮助他们更好地学习、理解和应用物理知识与规律.

4.3利用理想实验培养学生的物理思维能力

新《物理课程标准》指出，基础教育阶段的物理课程教学应以提高全体学生的科学素质为主要目标，满足学生发展的基本需求，全面提高公民的科学素养. 理想实验出于简单而归于深奥，它不仅可以帮助澄清物理学中的错误观念，还可以帮助加深对新概念的理解和深化. 加强理想实验的教学，可以培养学生丰富的想象力，锻炼学生的创造性思维能力.

5　结束语

科学的精髓在于创新，高素质的人才应具有创新意识. 理想实验方法在物理学中占有非常重要的位置，它不仅在物理学理论研究和物理学发展中起着极其重要的作用，而且还在物理教学实践中有着奇特的效果. 在注重能力培养和推崇素质教育的新型教育理念下，理想实验在物理学教学中的地位和作用显得尤为重要. 在物理教学中重视和加强理想实验教学，可以让学生充分感受、理解物理学思想和物理学家们的研究方法，有利于提高学生的学习兴趣和创新性思维能力，形成科学研究的素养，这对他们以后的学习和工作都将是非常有益的.

[1] 文军. “理想实验”与物理教育[J]. 渭南师范学院学报，2004,19(2)：78-81.

[2] 马利明，鲁鹏飞. 物理理想实验及其教学功效探微[J]. 物理教学探讨，2015,33(7)：42-44.

[3] 黄幸福. 谈理想实验在高中物理教学中的作用[J]. 物理教学探讨，2011,29(8)：56-57.

[4] 王存莲. 物理学中的理想实验[J]. 河北能源职业技术学院学报，2004(4)：87-88.

[5] 马书民，吴兴龙. 物理学史上的著名理想实验[J]. 物理通报，2013(1)：116-120.

[6] 郑洪. 高中物理中的理想化方法简介[J]. 课程教材教学研究(教育研究)，2013(1)：51-52.

[7] 赵锐. 理想实验在物理教学中的作用[J]. 科技信息，2008(30)：527.

[8] 景春晖，谭龙飞. 浅谈中学物理科学方法教育——以伽利略理想实验为例[J]. 中小学教学研究，2011(6)：40-41.

An introduction of the ideal experiment method in physics

LI Jitao1, GU Yu2, WANG Lihua1

(1.School of Physics and Telecommunications Engineering, Zhoukou Normal University,Zhoukou 466001, China;2.The First High School of Zhoukou, Zhoukou 466001, China)

The ideal experiment method is an important method in physics teaching and research. The ideal experiments play important roles in the formation and development of physics, they also play important roles in the supplement and completeness of physics theory. At the same time, the ideal experiments are important parts of physics education. The introduction of “ideal experiment” in physical education plays important roles in cultivating the students' imagination and innovative thinking ability, as well as their scientific ability.

physics teaching;the ideal experiment;research method

2016-03-16;

2016-05-12

国家自然科学基金项目(No.11604395)；河南省高等学校重点科研项目(No.16A140040)

理记涛(1981- )，男，河南西华人，博士，讲师，主要从事凝聚态物理研究及物理教学研究. E-mail: lijitao8@126.com

O4-33；G633.7

A

1671-9476(2016)05-0088-03

10.13450/j.cnki.jzknu.2016.05.023