浅谈中学物理中的理想实验

於平

【摘要】在物理学中，理想实验主要分为两类，一类是通过理想实验直接为建立物理理论提供依据，另外一类则是通过理想实验的推翻原有错误的理论或者习惯思维。

【关键词】物理；理想实验

物理学是一门研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学，它旨在揭示事物的内在规律、万物的道理。从经典物理学到现代物理学，物理学知识不断地推动着人类科技的发展，从各个方面深刻的影响着人类的生活。而其实质就是以实验和观察为基础的自然科学。

实验是科学研究的基本方法之一，其中有一种实验叫做理想实验。理想实验虽然也叫做实验，但是它和真是的自然科学实验有着本质的区别。它是建立在现有的理论基础上，通过逻辑推导得出的结论。可以说它是存在于人脑中的实验，是真正的人脑思维的结晶。在物理学中，理想实验主要分为两类，一类是通过理想实验直接为建立物理理论提供依据，另外一类则是通过理想实验的推翻原有错误的理论或者习惯思维。

对于第一类情况，其代表就是为了证明经典物理学基础的惯性定律也就是牛顿第一定律，它其实就是一个理想实验的重要结论。在牛顿第一定律中，它指出了物体的一种性质，叫做惯性。惯性可以使一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。我们仔细的观察它的描述可以发现，一切物体总保持匀速直线运动状态时不可能发生的，因为在其运动当中，任何物体都做不到不受外力干扰，一直匀速直线运动下去。那么这样的结论是怎么得到的呢？其实它的理论基础是源于伽利略做的一个叫做斜面实验的理想实验。伽利略认为在忽略了摩擦力和空气阻力的情况下，如下图甲所示，小球从静止开始沿斜面滚下来，将滚上另一个斜面并且上升到原来的高度。他推论出如果我们像下图乙中那样改变第二个斜面的倾角，小球依然会上升到同样高度，但是小球滚过的路程更长。如果像下图丙中那样继续改变第二个斜面的倾角直至水平，小球将再也达不到原来的高度，而沿着水平面以恒定的速度一直这么运动下去。

图：伽利略的斜面实验

伽利略的这个斜面实验，是典型的理想实验，因为他忽略了摩擦力和空气阻力的作用，而这些阻力其实都是真是存在的，并且在实际试验中也不能忽略。但就是这个只能在脑子里做出的理想实验为牛顿第一定律的得出奠定了基础。因为它教会了我们理想实验可以以可靠的事实为基础，经过抽象思维，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻地揭示了自然科学规律。

除了伽利略，物理学史上有很多物理学家都是理想实验的大师，像爱因斯坦，他在建立狭义相对论时，曾经作了关于同时性的相对性的一个理想实验。即当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对于站在两道闪电正中间的铁道旁边的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的。但是，对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的。因为，第二个观察者是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他的眼里的时间要早一点。因此，在静止的观察者看来是同时发生的闪电，在运动中的观察者看来却是西方先亮，接着东方再亮。同时性的相对性这一概念的提出，是狭义相对论建立过程中的一个关键。

对于第二类情况，通过理想实验的推翻原有错误的理论或者习惯思维。这在物理学上经常遇到。比如古希腊哲学家亚里斯多德认为物体的下落速度和重量成正比，物体越重，下落的速度越快。但是在伽利略在晚年出版的《关于两门新科学的对话》一书中，详细介绍了一个理想实验。根据当时教的亚里斯多德物理学，每个物体在每种介质中都有一个自然下落速度，在同一种介质中，物体的下落速度和它的重量成正比，物体越重，下落的速度越快。伽利略据此设想，有一重一轻两个球，重球的下落速度将比轻球快。再设想把这两个球绑在一起，速度慢的轻球会拖慢速度快的重球，因此它们一起下落的速度应介于它们各自下落的速度之间。但是两球合在一起的重量大于重球，它们一起下落的速度又应该比它们各自下落的速度都大。这样就出现了自相矛盾，因此亚里斯多德的落体运动法则是不能成立的。伽利略就这样通过一个理想实验，推翻了亚里斯多德的这个统治了人类思想近两千年，当时被认为是不变真理的落体运动法则。

总之，理想实验作为一种特殊的实验形式，对自然科学的研究有着重要作用。对于刚刚学习物理学的学生来说，它是一种抽象的方法，学习这种方法不但有助于我们理解物理，也帮助我们发散思维，通过理想实验找到解决各种实际问题的方法。