淺談物理學(xué)中的理想實驗方法

理記濤，谷　雨，王莉華

(1.周口師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，河南 周口 466001;2.周口市第一高級中學(xué)，河南 周口 466001)

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淺談物理學(xué)中的理想實驗方法

理記濤1，谷雨2，王莉華1

(1.周口師范學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，河南 周口 466001;2.周口市第一高級中學(xué)，河南 周口 466001)

理想實驗方法是物理學(xué)教學(xué)與研究中的一種重要方法. “理想實驗”對物理學(xué)的形成和發(fā)展，對物理理論的補充和完善起著重要的作用. 同時它又是物理教育的重要組成部分，在物理教育中引入“理想實驗”，對培養(yǎng)學(xué)生的想象力、創(chuàng)新思維及抽象思維能力都具有十分重要的作用.

物理教學(xué)；理想實驗；研究方法

眾所周知，物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué). 世界著名物理學(xué)家丁肇中曾經(jīng)說過，“物理學(xué)是從實驗中產(chǎn)生的”，這句話道出了實驗與物理學(xué)之間的密切關(guān)系. 從物理學(xué)的發(fā)展史也可以看出，物理學(xué)中的許多重大發(fā)現(xiàn)和重要理論的提出，都是以實驗為基礎(chǔ)的. 這其中，理想實驗發(fā)揮了重要的理論思維作用，使“人的思維創(chuàng)造出一直在改變的一個宇宙圖景”. 理想實驗在不斷豐富和發(fā)展物理學(xué)內(nèi)容的同時，也為物理學(xué)習(xí)提供了良好的材料[1]. 在物理教學(xué)中，教師有目的地提出和應(yīng)用一些理想實驗方法，不僅可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能開拓和發(fā)掘他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，同時也可以培養(yǎng)和鍛煉他們的邏輯思維能力，這對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有很大的促進作用.

1　理想實驗概述

“理想實驗”，又稱“假想實驗”“抽象實驗”或“思想上的實驗”，是人們假想出來的實驗過程，是一種用思維邏輯來推理的思維過程[2]. 在研究物理學(xué)理論知識時，理想實驗起到非常重要的作用. 例如，古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為力是維持物體運動的唯一因素，這使得公元前四世紀(jì)的人們都有這樣一種錯誤的認(rèn)識. 而伽利略借助理想實驗的方法提出了科學(xué)的觀點，徹底推翻了亞里士多德的錯誤理論，從而使物理學(xué)的發(fā)展有了新的突破. 近代以來，盡管新的科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，但理想實驗的重要地位仍然不可取代，理想實驗仍是創(chuàng)建新理論的最實際有效的方法，其在物理教學(xué)中的地位尤為重要，因此理想實驗方法仍被廣泛應(yīng)用[3].

2　 理想實驗的特性

理想實驗是一種把邏輯推理作為主線的思維推理過程，其作為一種抽象思維方法，巧妙地將物理思想、數(shù)學(xué)演繹和一般性實驗結(jié)合于一體，是連接抽象的理論邏輯和具體經(jīng)驗知識的樞紐[4]. 理想實驗是在不使用任何實驗儀器設(shè)備的特殊情況下，僅依靠思維推理和大膽想象進行的實驗. 理想實驗以真實的科學(xué)實驗為基礎(chǔ)，采用了理想化的處理問題的方法，即突出了問題的主要方面，忽略了其次要方面，因此并不是完全脫離科學(xué)實際的主觀臆想，而是在科學(xué)的思想中建立理想的過程，通過邏輯推理，并利用理論分析等方法揭示出物質(zhì)世界的本來面目.

3　 理想實驗在物理學(xué)發(fā)展中的作用

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的，科學(xué)家通過實驗來研究物理學(xué)中的問題，從而得出物理學(xué)的理論. 從物理學(xué)的發(fā)展史可以看出，無論是經(jīng)典物理學(xué)還是現(xiàn)代物理學(xué)的建立和發(fā)展，理想實驗都起著十分重要的作用[5]. 例如，在經(jīng)典物理學(xué)中非常重要的牛頓第一定律，就是通過“理想實驗”而得出的. 在古代，亞里士多德憑借經(jīng)驗和直覺，認(rèn)為力是維持物體運動的原因，也即是說必須有力作用在物體上，物體才能運動，沒有力的作用，物體就要靜止下來. 而被稱為“近代物理之父”的伽利略則通過他著名的“斜面實驗”推翻了亞里士多德的錯誤理論，從而奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ). 在該實驗中，首先讓一個表面光滑的金屬小球從一個光滑的斜面頂端滾下，又滾上第二個同樣光滑的斜面，發(fā)現(xiàn)小球所能到達的高度和它從第一個斜面開始滾下的高度相等. 不斷減小第二個斜面的傾角，并重復(fù)上述實驗，發(fā)現(xiàn)小球在這個斜面上仍然可以達到相同的高度，但這時其運動的距離會遠(yuǎn)一些. 于是，伽利略猜測：如果不斷減小第二個斜面的傾角直至為零，小球?qū)\動多遠(yuǎn)呢？顯然，假如第二個斜面(平面)足夠長的話，小球?qū)⒁院愣ǖ乃俣仍诖诵泵?平面)上永遠(yuǎn)運動下去. 當(dāng)然，這個實驗是無法實現(xiàn)的，因為第二個斜面(平面)不可能無限長. 因此說伽利略的這個實驗是一個“理想實驗”，但是它卻從本質(zhì)上揭示了自然界中物體運動的規(guī)律. 后來，牛頓以此為依據(jù)，進一步總結(jié)，得出了著名的“牛頓第一定律”.

在近代，以“相對論”和“量子力學(xué)”為支柱的整個現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展也離不開理想實驗. 例如，愛因斯坦在創(chuàng)立相對論時，也使用了理想實驗的方法，并以此為基礎(chǔ)提出了同時性的相對性概念，而該概念的提出則是建立狹義相對論的一個關(guān)鍵[6]. 因此，從某種意義上來說，理想實驗是物理學(xué)理論的基礎(chǔ)，同時也是物理學(xué)發(fā)展的根本動力，它是建立新概念、探索新理論的一種重要研究方法，在物理學(xué)的發(fā)展中起著不可替代的作用.

4　理想實驗在物理教學(xué)中的作用

物理教學(xué)過程不僅是傳授物理知識的過程，更是培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的意識和能力的過程. 愛因斯坦曾經(jīng)說過：“對真理的探求比對真理的占有更可貴.”[7]可見，學(xué)生通過思考，主動探索知識對他們的學(xué)習(xí)和成長尤為重要. 因此，作為物理教師，在教學(xué)過程中要充分運用理想實驗對學(xué)生進行思維訓(xùn)練和物理思想的培養(yǎng)，充分強調(diào)理想實驗的實踐性，并突出其思想性.

4.1充分運用理想實驗建立科學(xué)概念

在“牛頓第一定律”、 愛因斯坦的“時間相對性原理”和“非慣性系與引力場等效”等章節(jié)中，通過運用理想實驗這一特殊的教學(xué)方法，可以使學(xué)生較快的建立物理概念，有效理解和熟練掌握物理規(guī)律，幫助學(xué)生提高分析問題和解決問題的能力與技巧.

4.2應(yīng)用理想實驗巧妙呈現(xiàn)物理規(guī)律

在物理教學(xué)中，加強理想實驗教學(xué)，可以提高學(xué)生應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力，使學(xué)生更早地具有“物理頭腦”[8]. 例如在學(xué)習(xí)“凸透鏡成像規(guī)律”一節(jié)時，可以設(shè)想一個理想實驗過程，即一個人(可以想象為學(xué)生本人)沿凸透鏡主軸從無窮遠(yuǎn)處向凸透鏡勻速走來. 剛開始，人在無窮遠(yuǎn)處，成像在焦點附近，所成的像類似一個小圓點. 隨著人逐漸靠近凸透鏡，所成的像也逐漸變大. 因為像運動的頻率與人走動的頻率相同，所以在成縮小實像時，像運動的速度始終小于人運動的速度；當(dāng)成放大的實像時，實像變大如同巨人一般，人和像的運動頻率仍然相同，這時像運動的速度明顯大于人運動的速度. 這樣，可以讓學(xué)生在頭腦中建立物理情景，從“思想上”參與這個實驗過程，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，幫助他們更好地學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用物理知識與規(guī)律.

4.3利用理想實驗培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力

新《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，基礎(chǔ)教育階段的物理課程教學(xué)應(yīng)以提高全體學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)為主要目標(biāo)，滿足學(xué)生發(fā)展的基本需求，全面提高公民的科學(xué)素養(yǎng). 理想實驗出于簡單而歸于深奧，它不僅可以幫助澄清物理學(xué)中的錯誤觀念，還可以幫助加深對新概念的理解和深化. 加強理想實驗的教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生豐富的想象力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力.

5　結(jié)束語

科學(xué)的精髓在于創(chuàng)新，高素質(zhì)的人才應(yīng)具有創(chuàng)新意識. 理想實驗方法在物理學(xué)中占有非常重要的位置，它不僅在物理學(xué)理論研究和物理學(xué)發(fā)展中起著極其重要的作用，而且還在物理教學(xué)實踐中有著奇特的效果. 在注重能力培養(yǎng)和推崇素質(zhì)教育的新型教育理念下，理想實驗在物理學(xué)教學(xué)中的地位和作用顯得尤為重要. 在物理教學(xué)中重視和加強理想實驗教學(xué)，可以讓學(xué)生充分感受、理解物理學(xué)思想和物理學(xué)家們的研究方法，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新性思維能力，形成科學(xué)研究的素養(yǎng)，這對他們以后的學(xué)習(xí)和工作都將是非常有益的.

[1] 文軍. “理想實驗”與物理教育[J]. 渭南師范學(xué)院學(xué)報，2004,19(2)：78-81.

[2] 馬利明，魯鵬飛. 物理理想實驗及其教學(xué)功效探微[J]. 物理教學(xué)探討，2015,33(7)：42-44.

[3] 黃幸福. 談理想實驗在高中物理教學(xué)中的作用[J]. 物理教學(xué)探討，2011,29(8)：56-57.

[4] 王存蓮. 物理學(xué)中的理想實驗[J]. 河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004(4)：87-88.

[5] 馬書民，吳興龍. 物理學(xué)史上的著名理想實驗[J]. 物理通報，2013(1)：116-120.

[6] 鄭洪. 高中物理中的理想化方法簡介[J]. 課程教材教學(xué)研究(教育研究)，2013(1)：51-52.

[7] 趙銳. 理想實驗在物理教學(xué)中的作用[J]. 科技信息，2008(30)：527.

[8] 景春暉，譚龍飛. 淺談中學(xué)物理科學(xué)方法教育——以伽利略理想實驗為例[J]. 中小學(xué)教學(xué)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

國家自然科學(xué)基金項目(No.11604395)；河南省高等學(xué)校重點科研項目(No.16A140040)

理記濤(1981- )，男，河南西華人，博士，講師，主要從事凝聚態(tài)物理研究及物理教學(xué)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