人类思想史上的瑰宝 理想实验

杨明

摘要：物理是一门建立在实验上的学科，理想实验是有别于现实实验的一种实验方法，实验条件要求不高，但成果显著。16世纪意大利物理学家和天文学家伽利略最早提出这种实验方法，并借此方法否定了亚里士多德的落体理论和运动理论，是人类思想史上的瑰宝，高中物理教师可以加强理想实验的教学，培养学生严谨的科学素养和活跃的创造性思维能力，以提高课堂教学的效果。

关键词：理想实验;伽利略;高中物理

物理是一门建立在实验上的学科，理论的发展只有经过实验的证实，才能够被人们放心地应用到生产实践当中去，但生活中也不是所有的实验都能在实验室完成，比如理想实验。理想实验是基于部分生活经验或者事实，再进行逻辑推理的思维过程为主的实验，还可以叫做思想实验、思维实验、假想实验。也就是通过人们的思维，依据理想化的条件进行推演来得出结论的方法。而理想实验的创始人，是16世纪意大利物理学家和天文学家伽利略。

一、伽利略通过理想实验指出：重的物体和轻的物体下落一样快

现在的高一学生都会在物理课堂上接触到这一段历史，2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德通过自己对世界的观察和思考，在他的老师柏拉图提出的四元素几何化的基础上，将四元素说发展成为一种体系，再在四元素论的基础上提出了物体的运动可分为两类，一种是“自然而然的运动”，比如水往低处流;一种是“被强迫的运动"，比如自行车被推着才能走。他由此得出，质量大的物体从上空落下和质量轻的物体从地面上升是一种“自然运动”，如果外界违背物体的“自然本意"使其做其它运动，就必须依靠外力，一但施加的外力撤去，这种不以其“自然本意”为意志的运动就会停止，物体将再回到“自然运动”状态。亚里士多德的这些观点中还包含有：重的物体比轻的物体下落的更快的思想。

伽利略非常聪明，通过理想实验，使亚里士多德的落体理论站不住了，虽然亚里士多德的“错误”结论束缚了欧洲科学界近两千年的。 现在的中学生都明白：“重的物体比轻的物体下落的更快”的错误很明显，但在当时，何对亚里士多德落体运动理论的质疑都将被视为影响自然哲学基本理论的哲学问题而绝不仅仅是一个普通的力学问题。[1]对于伽利略来说，能够不为权威所限制秉承怀疑一切的精神，大胆的创新，深入的思考，而总结形成的一套非常有力的逻辑实验方法，是非常了得的。伽利略无疑吹响了自然科学为摆脱亚里士多德思想桎梏而进行的一场大革命的冲锋号角。

二、伽利略通过理想斜面实验指出：力不是维持物体运动的原因

在通过理想实验向亚里士多德的落体运动定律发出挑战之后，伽利略仿佛发现了更多的宝藏，对亚里士多德的一系列理论上面进行了多方面的质疑。那么第二个著名的理想实验是理想斜面实验。自从亚里士多德开始思考运动的本质以前，人们对运动的理解还是很模糊的，直到伽利略提出了一个现在家喻户晓的思想实验，人们才知道了惯性原理——所有物体都将一直处于静止或者匀速直线运动状态，直到出现施加其上的力改变它的运动状态为止。或者一个不受任何外力（或者合外力为0）的物体将保持静止或匀速直线运动。由于当时对数学、物理和哲学之间的分界没有现在这么明显，从伽利略《对话》中描述的内容来看，他所认为的小球的最终的运动应该是 “自然运动”圆周运动。伽利略不仅指出了力不是维持物体运动的原因，同时也告诉了人们，维持物体运动的是惯性。直到后来迪卡儿对该理想实验进行了补充，指出小球会一直做勻速直线运动，这样不仅确定了运动和力是分离的，而且还明确了运动不会偏离原来的方向，把人们的目光聚焦到了运动的方向上面来了。最后才有了牛顿把这些思想结合起来，从力与运动之间的因果关系入手，建立的牛顿第一定律。所以这一伟大的发现，最初还是得益于伽利略的理想实验。

三、高中教师加强对“理想实验”教学的优点：

1、理想实验的实验成本很低，不需要很大的实验室，也不需要精良的高端设备，很大一部分可以在思维里完成。

2、实验的方法是以事实加上合理的外推，有一定的实践经验作辅助，不是凭空想象。

3、思辨性很强，通过个人对已知信息进行加工、提炼获得更有用的结论更深层次的挖掘隐藏在事物发展过程中的内在规律。伽利略在1632年出版的《对话》中，以他的三个朋友沙格列陀、萨尔维阿蒂和辛普利邱为主人公，侧面讲述了他的个人思想成长演变的过程，《对话》的内容具有极强的思想性。

4、伽利略通过理想实验，得出一系列物理基本定律。这种方法给后来的物理学研究形成了一套规范可靠的实验标准。把科学研究方法从简单的观察升级到对观察结果的思辨，是科学研究史上的一次飞跃。单纯的观察，只能获得自然界所提供的表面的、粗浅的结论，而科学实验是在人为的条件下有目的的获取科学研究中所需要的东西，所获得的知识将更为深刻。

5、理想斜面实验被评为十大最美实验之一，用最简单的方法讲明了深刻的道理，激发了一大批学生学习物理的兴趣。比如惯性定律，在当时的任何实验中，伽利略首先发现了摩擦阻碍地运动有影响，在真实的实验不能严格地证明惯性定律情况下，用思维的力量得出了惯性定律，他仅仅通过日常经验的总结和思维的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性定律的正确性，这一最简单的理想实验足以体现出人类思想力的锋芒，也会促使更多的人向往物理的美。

结束语：

理想实验是一把思想的利器，用得好，可以得出很多实用的物理定律。在日常生活中很有很多随处可见自然现象，可是为什么只有伽利略发现了惯性定律呢？这也说明理想实验的难点之处就在于对思考的方向的把握，以及思辨的深入程度，同时也需要科学家有很深厚的学科素养，丰富的知识储备和敏锐的问题发现能力，还需要有惊人的毅力和巨大的勇气才能把理想实现这把利器挥舞的更加有力。

参考文献：

[1] 黄华新. 伽利略的科学思维方法论探析[J]. 浙江大学学报（人文社会科学版）， 2000， 30（005）：23.

[2] 任真. 伽利略科学方法论研究[D]. 大连理工大学， 2009.