物理教学中理想实验的应用

孙文镇

摘 要：新课程高中物理教学中应用“理想实验”的意义， 是一种应用逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。而“理想实验”里借助客观现象和过程之间的内在逻辑关系的分析，对结论进行证明与反驳，正是培养学生逻辑思维能力的有效途径。

关键词：物理教学；理想实验；应用

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）04-192-01

在高中物理教学中有很多实验，其中“理想实验”，也叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，是一种应用逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。高中物理学中有不少很多的实验内容不能在实验室完成，应用“理想实验”的教学方法可以很好地培养学生科学探究和探索精神。

一、新课程高中物理教学中应用“理想实验”的意义

“理想实验”在理论研究中有着重要的位置，当然“理想实验”的方法也有其一定的局限性，它只是一种逻辑推理的思维过程，它的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验认识正确与否的标准。相反由它所得出的任何推论，都必须由实际的观察或实验的结果来检验。当然高中教材中的理想实验得到的结论全都已经过了实践的检验是正确的。因而在教学中，我们就可以充分利用物理教学内容中的“理想实验”，培养学生的逻辑思维能力，引领学生探求物理世界的真知。

二、新课程高中物理教材中的“理想实验”

高中物理新教材中有着丰富的“理想实验”内容，以人教版高中必修和选修系列教材的“理想实验”内容进行简单总结。

从多种情况分析可知，建立或利用“理想实验”基本上有两大类情况：

1、条件技术不足而理想

由于技术设备的制约，有些仪器、设备在中学实验室无法配备；或实验过程复杂，耗时长，不便在中学物理实验室里进行实验。这些内容主要由老师讲述、影象、动画模拟、示意图表等形式来展示，对研究的物理现象和规律进行联想，从而揭示物理现象内在的规律。象原子结构、玻尔原子理论都是通过让学生根据已有知识，进行比较与分类，归纳与演绎等“理想实验”操作形式模拟科学探索的历程，逐步理解和掌握。

例如，伽利略对自由落体运动的研究过程：首先伽利略通过逻辑推理得出亚里士多德的结论是错误的。然后，伽利略作了大胆的猜想，落体运动应该是一种简单的运动，落体的速度与时间或与位移是成正比。接着，伽利略通过铜球沿阻力很小的斜面滚下这一过程的严谨求实的实验测定，得出只要倾角一定，铜球的加速度不变，他进一步设想当倾角为90。时，也应如此，此时人类终于认识自由落体运动是匀变速直线运动。伽利略的理想实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦力完全消除掉。伽利略由此理想实验得到的结论，为经典力学的建立奠定了基础。

2、现有的理论不够而思想；

例如，作为经典力学基础的慣性定律，就是“理想实验”的一个重要结论。伽俐略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等。伽俐略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。他推想，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度，只是通过的路程更长.最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去.这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除掉。所以这只是一个“理想实验”，但是，伽俐略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来一千多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律。

三、利用“理想实验”培养学生的逻辑思维能力

逻辑思想主要包括比较与分类，类比，分析与综合，归纳于演绎等思维形式，而“理想实验”里借助客观现象和过程之间的内在逻辑关系的分析，对结论进行证明与反驳，正是培养学生逻辑思维能力的有效途径。

例如：爱因斯坦在建立狭义相对论时，曾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，第二个观察者是在靠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.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。

由此， “理想实验”是由人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的实验，但理想实验并不是脱离实际而主观臆想出来的，它要以实践为基础，在科学实验的基础上，抓住主要因素，忽略次要因素，对实际过程做出深入的抽象分析得出正确结论，是人们按照真实实验或实物模拟实验，在已有科学知识基础上，把研究对象置于理想条件或假想的实验仪器设备下加以操作，考察其运动变化特点，发现其规律的研究方法，是借助丰富的想象力，应用严密的逻辑推理，在一定的实验基础上做出抽象的假说、分析、判断与推理。教学中应用这一方法的关键在于理解“理想实验”，重点在于探究精神和创新意识的培养。