理想实验在高校物理实验的应用探析

梁一机（广东石油化工学院　理学院，广东　茂名　525000）



理想实验在高校物理实验的应用探析

梁一机
（广东石油化工学院理学院，广东茂名525000）

摘要：从高校物理教学来看，只有结合课本中的物理学史实介绍科学先驱者，消除大学生心理上对理想实验的神秘感才能使学生更好地掌握理想实验的方法.目前，虚拟仿真实验为开展理想实验提供了便利，但考虑到虚拟仿真实验的优点和不足，必须坚持从教学需要来决定是否应用仿真实验，必须引导学生经历完整的科学探究过程.

关键词：理想实验；虚拟实验；应用

1　引言

1.1理想实验的概念

理想实验是一种重要的理论研究方法，是以真实的实验为基础进行科学研究活动的创造性思维形式.由于理想实验是在现实的基础上进行的深层次的抽象分析，根据已经被实践所证实的逻辑法则来进行思考和分析，虽然没有经过真实的实验，但由于突出了其中的主要矛盾，而忽略了次要矛盾，仍会获得基于现实而又高于现实的效果.

1.2理想实验的作用

从物理学的发展过程来看，理想实验起着至关重要的作用，通过理想实验的方法来实现理论的建立、补充和完善的例子举不胜举.可以说，没有理想实验，人们的认识和思维就无法超越现实的束缚，就无法建立起如此完善的物理学体系［1］.

1.2.1理想实验建立和发展了经典物理学理论

从一定意义上来说，经典物理学是与理想实验相伴而生的.在16世纪之前，亚里士多德关于运动的描述和解释一直占据着统治地位，是伽利略通过理想实验的方法对亚里士多德的理论提出了挑战.伽利略设想：根据亚里士多德的落体理论，如果将轻重不同的两个物体连接起来并从高处抛下，其速度应该比两个物体的下落速度都快（因为其质量比两个物体都大）；从另一个角度来想，复合物的质量会因为两物的相互牵扯而界于较轻的物体和较重的物体的下落速度之间.这就出现了两个相互矛盾的结论，引导人们冲破了亚里士多德思想的束缚，为控自然科学的发展开辟了道路.此外，伽利略还以小球在斜面上的滚动实验为基础，设想如果小球从斜面上滑下来，进入到没有摩擦力的水平面，将会永远运动下去，使人们对力和运动的关系有了清楚的认识，并为惯性定律的得出奠定了基础.

此后，牛顿、麦克斯韦等经典物理学大师也是应用理想实验的高手.如牛顿在《原理》一书当中，通过理想实验的方法构建出了一个“进入空间永不触及地球”的石块，形成了地球卫星的模型；麦克斯韦将奥斯特和罗兰实验中的闭合力线与法拉第实验中磁场的闭合力线都缩成一个点，提出了“位移电流”的概念［2］.

1.2.2理想实验诱发了现代物理学革命

相对论和理子力学是现代物理学的两大支柱，这两个理论的建立也与理想实验密切相关.在创立相论论的过程中，爱因斯坦将理想实验的方法应用到了极致，如在提出著名的“光速悖论”时，爱因斯坦列举了这样的理想实验：如果某人以光速度来追随一束光，那他将看到不停震荡但却不向前运动的电磁场，但这并不符合麦克斯韦方程，也不符合人们的生活经验.这一“悖论”孕育出了狭义相对论.

在广义相对论的创立过程中，爱因斯坦通过“升降机理想实验”揭露了引力质量和惯性质量之间的相等关系，进而建立了广义相对论的等效性原理.爱因斯坦还设想：升降机在不变力的作用下垂直向上运动，从侧窗口水平射入升降机内的光束所射到的点应该会比入口点稍微低一点，因此他预言引力的作用会使光发生弯曲.量子力学理论的建立也是以理想实验为基础的，比较具有代表性的有海森堡的理想显微镜实验、电子束单缝衍射实验和玻尔的理想显微镜实验，限于篇幅在此就不再赘述.

1.2.3理想实验补充并完善了已有理论

从物理学的发展史来看，理想实验补充和完善了已有理论.19世纪初，热机在生产当中的应用越来越广泛，如何大幅度提高热机的效率成为人们普遍关注的问题.法国工程师卡诺以理想实验为基础，提出了“卡诺循环”，通过两个绝热过程找到了热机效率提高的途径，为热机效率的提高、也为热力学第二定律的确立奠定了基础.1871年，麦克斯韦假想将容器分为两个部分，对由快分子和慢分子的单向运动而引起的温度变化进行了讨论，对热力学第二定律提出了质疑，使人们对熵的讨论拓展到了智力、生命等领域［3］.

“薛定谔猫佯谬”的提出也是以理想实验为基础的.薛定谔设想，在密封的钢室当中有一只猫，另有一与钢室相连的毒气释放装置，毒气的释放由两束初旋状态相同的电子引发，如果在电子必经处的1点检测到有电子，则释放毒气立即将猫致死；而如果在电子必经处2点检测到有电子则停止释放毒气.根据量子力学，点1和点2年检测到电子的概率相同，因此我们无法确定猫的死活，也就是说猫将处于“非死非活”的中间状态，这显然是违背自然事实的.这一实验引起人们对佯谬的讨论，并一直持续到现在，人们对量子力学的理解和认识也在讨论当中变得更加清晰.

2　理想实验在高校物理实验中的应用

根据心理学研究，我国的大学生当中，有近50%的人的物理思维处于具体运算阶段，并呈现出了肤浅性、片面性和动摇性的特点.根据大学生的认知特点，物理教师应该以具体的事物为依托，尽可能地增强物理教学的直观性和形象性，不断地提升其认知水平.从实践来看，以大学生已有经验为基础，合理地设计理想实验，是提高学生逻辑思维能力和理论研究能力的重要途径.而理想实验的设计则给教师提出了更高的要求，要求更多地采用形象思维和抽象思维相结合的方式，最大限度地引导学生建立并强化物理概念.

2.1消除大学生心理上对理想实验的神秘感

我们可以通过理想实验简捷地得出正确结论，即设想观察者（自己）置身于作自由落体运动的装置上，抛这些小球的同时，这个装置（自己）作自由落体运动，于是可以“观察”到（想象出）这些小球相对自己作射向四面八方的匀速直线运动，并进一步可以“观察”到（想象出）这些小球在空间构成的图案是以自己为圆心的球面.这个理想实验的感性认识不难在日常生活中找到，这就是节日的夜晚燃放焰火，焰火的碎火星构成的正是球面.

2.2结合课本中的物理学史实介绍科学先驱者

对有关问题的理想实验的思辨过程和方式，以拓宽大学生的视野和启迪大学生的智慧.如：哥白尼提出日心说；牛顿的抛体实验；伽利略的理想斜面实验；开普勒提出的夭体交通规则—开普勒三大运动定律；安培分子电流假说；对原子模型的认识从汤姆逊的枣糕模型到卢瑟福的核式结构模型，再到玻尔模型直至量子力学模型.

2.3应用理想实验来辅助以真实实验为基础的理论推导

现代教学理论要求学生亲自经历科学探究的过程，因此教学当中应该尽可能多地开展探究性物理实验.但是由于实验器材、实验方法、实验环境等不同，导致实验中的系统误差和偶然误差各不相同，增加了实验结果的不确定性，探究实验教学的开展难度较大.相比而言，理想实验则无需现实的实验操作，且不受真实的实验环境、实验器材、实验过程、实验操作人员的影响，主要通过思维的方式在理想化的情况下展开，完全回避了对实验误差的讨论，教学效率更高，应用到的物理思想和物理方法也更加明显.

如，根据海森堡的测不准关系，不可能同时测量电场E和磁场B，我们可以根据经典物理学的电磁震荡实验构建如下的理想实验来加以论证：由平行板电容器C和螺线管L构成一个LC回路，将频率为ω的偏振光投射到该LC回路上，使得电场E和平行板电容器的极板相垂直，磁场H与L的轴线平行，则当光满足时，震荡回路当中所产生的电流为I，则回路当中所储存的能量则为；与此同时，回路中电子所具有的机械能则为.由能量守恒定律可知，所以有，由测不准关系有ΔpΔq≥h，因此ΔHΔE≥，也就是说，从量子理论出发，不可能同时准确测量电场E和磁场B.

2.4应用理想实验来弥补定性实验对数量关系讨论的不足

物理教学的影响因素是多方面的.虽然现在各高校的实验教学条件已经较为完善，但仍有相当一部分物理实验难以进行定量的观测，仍在以定性实验的方式来向学生阐释各物理量之间的关系.因此，教师在教学中经常会先以定量的方式给学生展示出定性实验，然后以“大量精确的实验表明……”来引出物理结论.这样做不仅表述起来较为繁琐，而且由于实验当中较大的误差而影响学生对物理结论的理解.而如果教师以理想实验来替代真实实验，以学生已有的知识经验来对物理量之间的关系进行推导演绎，学生接受起来就更为容易一些.

如，在讨论图1所示的密封玻璃管当中，当两端气体温度发生变化时水银高度差的变化进，就可以用如下的理想实验来进行探究：让两侧空气的温度均下降至零度，此时两侧空气的压强将处于0Pa，如此将不会存在压强，U形管两侧的水银面高度相等，高度差h=0.发现，水银面高度差与管两侧空气温度具有明显相关性，即管两侧空气温度越低，则水银面高度差越小；反之管两侧空气温度越高，则水银面高度差越大.

图1　水银的高度差变化图

3　虚拟仿真实验的优势及应用策略

3.1什么是虚拟仿真实验

虚拟仿真实验即以计算机虚拟实验环境为依托，具备交互性和仿真性的软件实验平台，人们也称之为电子实验或动态实验.由于虚拟仿真实验可以与真实实验相互印证，可以完成生活中无法完成的实验而颇受人们重视.目前，中南大学、厦门大学、中国人民大学、北京邮电大学等国内知名高校都已经建立起了网络化的虚拟实验平台.

3.2虚拟仿真实验的优势

诚然，作为一门自然学科，物理学特别重视以真实的器材和设备来研究和探讨物理现象和物理过程，并通过真实的实验来不断地验证、发展和丰富现有的物理学理论.但是受客观条件限制，有些实验，特别是理想化的实验，我们是无法展开真实的实验.以往人们只能通过不断地思考，利用抽象思维来解决这一问题，而现在，则可以借助计算机软件来模拟物理环境、实验操作和实验现象，给人以更加直观和形象的感受.如我们可以通过软件来虚拟出同人不断增加运动速度时的长度和宽度，并同步展现在计算机屏幕上，这样可以使更加直观地理解相对论知识；而在现实生活中，不要说人以接近光速或数倍光速运动，就是同样一个人同时以不同的速度运动也是不可能的.

与真实实验相比，虚拟仿真实验的优势突出表现为四点：首先，虚拟仿真实验是以软件平台为基础的，不需要专门的实验场地，哪怕是公园、操场都可以瞬间转变为实验室，具有无可比拟的便捷性；其次，虚拟仿真实验是借助仿真实验室中预设的各种元件来完成的，无需专门配备实验员，免去了实验器材的购置和维护费用，节省了人力、物力和财力，具有显而易见的廉价性；再次，虚拟仿真实验可以随心所欲地控制实验过程，哪怕是在螺旋加速器中不断加速的粒子，也可以通过点击按钮来使其停下来，对其进行分析，即仿真实验具有出乎易料地可控性；最后，在虚拟仿真实验平台上，只需要建立物理模型，给系统输入初始条件，计算机立即就会模拟物理过程，生成现象和数据，并同时给出各种物理量之间的函数关系，这就使其具备了直观性的特点.

但是，还应该看到，虚拟仿真实验始终不能替代真实实验.因为虚拟仿真实验是在人们虚拟的环境中完成的，难以提供物质世界特有的真实感和信服感.比如，再完美的虚拟仿真实验也无法让学生感受到电梯失重、带电粒子在磁场中运动路径偏转等所带来的刺激感.另外，由于虚拟仿真实验的实验结果一般无须误差分析，对于学生分析和综合能力的培养也是不利的［4］.

3.3虚拟仿真实验的应用策略

3.3.1坚持从教学需要来决定是否应用仿真实验

仿真物理实验的优势和不足决定了其应用的局限性，必段根据实际教学需求来进行实际分析.在需要引用虚拟仿真实验时，首先要反问自己如下几个问题：除了仿真实验之外，还有其他选择吗？其它的选择是不是比仿真实验更好？学生能否接受这种表现形象？怎样才能更好地增进学生对物理实质的认识？只有经过这样的思考之后，我们才能决定是否应用仿真实验来辅助教学.

3.3.2引导学生经历完整的科学探究过程

物理是一门实验学科，学生必定要通过物理实验来体会科学探究过程.根据虚拟仿真实验的特点，我们应该引导学生经历“提出问题、猜想假设、设计实验、操作实验、处理数据、分析论证、交流合作”等每一个环节，真正做到象科学家一样思考.在学生操作实验的过程中，教师应该积极地为学生提供指导性建议，引导学生探索求知领域.当学生完成一部分实验时，则应该引导学生展示出自己学习当中存在的困难和障碍，通过师生共同讨论来增强学生学习的自信心，提高学生的学习兴趣和学习效率［5］.

参考文献：

〔1〕张景生，谢星海.“理想实验”与物理学的发展［J］.自然杂志，2000（4）：240-244.

〔2〕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.

〔3〕姜富强，张杨，邢键，孙晶华.理想气体状态方程实验仪［J］.物理实验，2015（3）：40-42.

〔4〕田亚芳.大学物理网络虚拟实验的设计模式探究［J］.创新科技，2014（21）：26-27.

〔5〕郑颖立.体验式虚拟实验研究［D］.华东师范大学，2008.

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）06-0008-03

收稿日期：2016-02-15