关于理想斜面实验和斜面理想实验的探讨

摘要：理想实验是物理学的重要研究方法之一，伽利略的斜面实验的理想两字究竟该如何理解，理想两字应该置于“实验”之前还是“斜面”之前？本文通过研究理想实验的特征、查阅了国外原版教材中的名称，给出了科学的答案。

关键词：理想实验;思想实验;伽利略;斜面实验

伽利略的理想实验方法是物理学中一种重要的研究方法，对科学思维核心素养培养有着息息相关的作用。但是对于“理想实验”存在两种不同的理解：第一种理解为“理想斜面”——即将不存在摩擦力，绝对光滑的斜面称之为理想斜面，而伽利略的结论就是基于理想斜面才能成立的。简单说来就是在理想的斜面上做实验，故第一种叫做“理想斜面实验”;第二种理解为“思想实验”——即在头脑中进行实验，并非真正的实验。简单说来就是依靠想象力进行实验，也叫想象实验。故将第二种理解称为“斜面理想实验”。

庞惠华和章强在提出了牛顿第一定律的教学中，“伽利略理想斜面实验”是最核心的内容，而上海科学技术出版社（下称上科版）的高中一年级第一学期物理教材（2007版）的第74页，明确写出了“伽利略的斜面理想实验”的小标题，提出“理想实验又叫想像实验，它以可靠的事实为基础，突出主要因素，忽略次要因素，通过抽象思维深刻揭示自然规律。”

“理想斜面实验”和 “斜面理想实验”两种说法，“理想”两字的位置不同，含义更不同，哪种叫法是准确的？

“理想斜面”是基于物理学中“物理模型”或“理想模型”延伸出来的概念，高中所学的“质点”、“理想气体”、“点电荷”等物理模型都是抓住主要矛盾，忽略了次要因素，而抽象出来的概念。而“理想实验”，又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人們在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。 “理想实验”虽然也叫做“实验”，但并非真实的科学实验，真实的科学实验是一种实践的活动，而“理想实验”则是一种思维的活动;前者是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则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”。理想实验是以可靠事实为基础的，并非是无依据的猜测。

秦谨琼、钱长炎指出，思想实验即用想象的装置来进行实验。它本质上属于一种思维方式，一种特殊的科学工具。思想实验可以划分为五个阶段。许莹莹提出了理想实验分成了两类，即常见情境的理想实验和特殊情境的理想实验。

世界上有很多思想实验的例子，比如说“爱因斯坦的光线”，爱因斯坦著名的狭义相对论是受启于他16岁做的思想实验。在他的自传中，爱因斯坦回忆道他当时幻想在宇宙中追寻一道光线。他推理说，如果他能够以光速在光线旁边运动，那么他应该能够看到光线成为“在空间上不断振荡但停滞不前的电磁场”。对于爱因斯坦，这个思想实验证明了对于这个虚拟的观察者，所有的物理定律应该和一个相对于地球静止的观察者观察到的一样。

再比如说，“薛定谔的猫”。薛定谔之猫最早由物理学家薛定谔提出，是量子力学领域中的一个悖论。其内容是：一只猫、一些放射性元素和一瓶毒气一起被封闭在一个盒子里一个小时。在一个小时内，放射性元素衰变的几率为50%。如果衰变，那么一个连接在盖革计数器上的锤子就会被触发，并打碎瓶子，释放毒气，杀死猫。因为这件事会否发生的概率相等，薛定锷认为在盒子被打开前，盒子中的猫被认为是既死又活的。可见思想实验与什么理想化条件没有任何联系。没有理想化条件，一样可以进行思想实验。

所以，物理学中进行思想实验是一件非常普遍而有趣的事情，甚至我们在生活中也经常做思想实验，比如说“先救谁？”的思想实验，妻子问丈夫，如果我和你母亲一起掉进了河里，你先救谁？

再用外国的原版教材来佐证我们的想法，如果是理想斜面实验，则应该翻译成“ideal slope experiment”，其中必定会有ideal（理想的）这个单词，如果是斜面理想实验，则侧重于进行想象的实验，应该在实验前出现诸如thinking（思考），thought（思想）等单词，加拿大尼尔森版《Physics 11》中的第二章59页中提到了牛顿第一定律实验，内容如下

Prior to the 1600s， most natural philosophers （early scientists） held a simplistic view of motion. They believed that a constant force was needed to produce constant velocity. Increasing the force caused increased velocity. Decreasing the force caused decreased velocity. Removing the force caused the velocity to become zero. Galileo， the Renaissance physicist， questioned this view. Galileo performed real experiments with a ball rolling down and up sloped ramps. He also performed virtual experiments （thought experiments） to try to explain his ideas. Galileos virtual experiments（虚拟实验） are illustrated in Figure 1.

Whitaker和Robert J在Aristotle is not dead： Student understanding of trajectory motion中说道：“Six questions on trajectory motion， based on Galileos thought experiments（思想实验）‘ in his Dialogue Concerning The Two Chief World Systems， were given to students in several different introductory Physics classes. ”文中出现了thought experiments的词汇。

上述两篇文章中出现的两种说法与思想实验更加贴近，通过查阅文献可知“thought experiments”来源自德语gedanken experiments，译作思想实验。

总结：理想实验是在思想中进行实验，也可以用形象的图片等把自己的思想表现出来，但无论有没有图片，都与实物实验有区别。“斜面理想实验”的名称更符合语言习惯，即在斜面上的思想实验，而若叫做“理想斜面实验”会导致学生甚至老师的误解。

参考文献

[1]庞惠华，章强.几种“ 伽利略斜面实验”教学设计的比较和改进[J].物理通报，2019，38（11）：71-73.

[2] 高中物理第一年级第一册物理课本.上海科学技术出版社（2007版）[s].

[3]秦瑾琼，钱长炎.基于思想实验的高中物理“宇宙航行”教学设计[J].物理教学探讨，2019，37（06）：28-30+33.

[4]许莹莹. 中学物理“理想实验”教学策略研究[D].广西师范大学，2014.

[5]Maurice DiGiuseppe，Chirstopher T.Howes， et al. Nelson Physics 11， Toronto，Canada，2011.

[6]Whitaker， Robert J . Aristotle is not dead： Student understanding of trajectory motion[J]. American Journal of Physics， 1983， 51（4）：352.

作者简介

张志民（1976年4月-），男，汉族，上海，中级，硕士研究生，单位、：上海市闵行中学，研究方向：课程与教学论。