理想实验及其在中学物理教学中的应用策略探究
作者：靳建设(高中物理?甘肃兰州物理一班)??评论数/浏览数：0/460??发表日期：2010-08-0500:49:07
???内容提要：本文主要论述科学方法论中一个重要的研究手段——理想实验的特点与作用以及在中学物理教学中的应用策略。在教学中既要对物理学史或课本上存在的理想实验创造性地使用，也要大胆地“创造”新的理想实验，使课堂教学更活跃、有效，还要积极鼓励和引导学生善于自己设计或提出理想实验，深化知识。对于全面推进素质教育，培养学生的创新意识和创新精神具有重要的价值和深远的意义。
????理想实验是物理学研究中的一个重要研究方法或手段，也是物理学习中的一种重要的思维方式方法。应该说理想实验既是实际实验的升华，又是重要的科学抽象方法。从实际实验到理想实验是研究方法上的质的飞跃。
???一、理想实验的概念内涵
???“理想实验”是指在自然界中无法实现，只能在想象上操作的思想实验，或可以在现实中进行，但由于眼前条件不方便而在想象中进行。理想实验也叫思想实验、假想实验或抽象实验，它是一种形象思维和抽象思维相互作用的思维过程，借助于逻辑推理，又辅助以形象变换；它以真实的科学实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维来展开实验过程。
???理想实验具有一些真实科学实验的特点，但又不同于实际实验，是一种带有浓郁物理学色彩的逻辑推理，是人们在思想上塑造的理想过程。
???如伽利略在思考惯性问题时的“斜面实验”中，“绝对光滑”条件在实验中无法达到。伽利略反驳亚里士多德落体定律所“做”的著名的大球与小球的“重物悖论”实验。
???理想实验以真实的科学实验、已知的科学事实和科学理论为基础，以被人们认可的、具有充分实践基础的逻辑法则为依据，理想实验来源于实践。
???二、理想实验的物理学意义
???理想实验作为一种独特的“实验”方法或思维方法，是在现实实验的基础上，抓住主要矛盾或特性，忽略次要矛盾或特性，对实际过程进行更深入的抽象分析的探索过程。理想实验的物理意义深远、博大、精深，具体表现在：
???1、思考与实践的统一
???任何一种思想都不可能从天上掉下来，只能从实践活动中经过人们的思考而产生。在科学研究中，理想实验往往是科学工作者对所研究的问题进行长期思考后设想的一种“思考实验”。例如，伽利略对亚里士多德“力是运动产生的原因”经过研究提出了质疑：一辆飞快的马车，当马停止用力拉东西时，马车并不因为没有力而立刻停止运动，伽利略认为这一现象说明运动与力没有同时对应性，亚里士多德的理论肯定有问题。于是他进一步思考，设想：如果道路平坦光滑一些，车子中轮轴再光滑一些，车子肯定可以走更长的路，而如果道路绝对光滑平坦，车子无阻力，即没有任何因素阻碍车子运动，那么车子永远不会停下来。由此，伽利略进一步推论：任何物体如果没有受到外力或所受外力为零，则物体将保持静止或匀速直线运动状态，直到有力迫使它改变运动状态为止。这就是惯性定律。在这一研究中，伽利略关于马车的“理想实验”是以实践为基础的，但又进行了高度的科学抽象。
???2、思想的高度升华与物化
???理想实验是“思想”与“实验”的高度综合，是一种以物理思想为纽带连接起来的辨证综合的思维过程。正是由于思想性而使理想实验与实际实验区别开来。例如，伽利略关于“落体问题”的理想实验，本来在实践上是不难做到的，可以进行实际实验。但是之所以称之为“理想实验”，就在于它的思想性。或者说，有时理想实验比实际实验作用更大，更有利于探索和揭示物理学中的规律。
???3、现实与创造的交融
???理想实验并非实践与思想的简单组合，而是经过科学思考后产生的“创造性”产物。理想实验本身是一种科学的创造。例如，爱因斯坦有关“同时性”的“雷电”的理想实验导致了狭义相对论中“同时性的相对性”概念的建立。理想实验也可能发现旧理论的局限性。麦克斯韦1871年提出的、被后人称为“麦克斯韦妖”的理想实验。他设想：“在一定的温度均匀的充满空气的容器里，分子运动速度绝不均匀……假定把容器分为A和B两部分，在分界上有一个小孔。再设想一个能见到单个分子的‘存在物’打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑到B，而慢分子从B跑向A。这样，它在不消耗功的情况下，使B的温度升高，A的温度降低。”这就是说，在微观世界里，当我们跟踪每一个分子时，有可能出现违反热力学第三定律的现象。麦克斯韦因此而成为第一个发现经典定律局限的人。因此，理想实验既可能发现旧理论的缺陷，也可为新理论的建立指明方向。当然，一个伟大的理想实验也可能导致一个新的理论的建立。例如，爱因斯坦的“电梯实验”导致了广义相对论中“等效原理”的发现。
???4、理想向现实的有机转化
???理想实验虽然在一定时期内限于技术条件无法进行实际实验，但随着技术发展，某些“理想实验”可能在现实中实现。例如，爱因斯坦关于时间“同时性”的相对性的理想实验在本世纪初无法实施。但到了1971年，美国科学家海弗尔和凯丁用铯原子钟放在飞机上，飞机在赤道平面附近高速向东和向西各绕一周后，发现向东飞行时的原子钟比地面上的原子钟平均慢了5.0×10-9s，而向西飞行的原子钟比地面上的快了2.73×10-9s。
??5、类比与推理的精致思索
???从本质上讲，理想实验是类比科学实验的一种逻辑推理过程。这种推理是从实践中引出的一种推理，是通过对事物进行本质分析，探索其发展方向的推理。尽管理想实验往往是虚构的，是一种思考性实验，运用逻辑推理在头脑里或纸面上来完成的实验，但这种理想实验是实际实验的重要的逻辑补充，而且有助于发挥人的主观能动性。
???理想实验不能取代真实实验，它不是检验真理的标准，理想实验的结论还需要放在真实的实验中去检验。例如，爱因斯坦在创建相对论的过程中，运用了理想实验，但相对论之所以是科学真理，是因为由它得出的结论和预言，已被大量的真实科学实验所验证。
???理想实验还可能对真实实验具有启迪作用，为构思设计真实实验指明途径或加深对真实实验的理解。迈克尔逊用干涉仪否定“以太流”的实验，其基本思想就来自于麦克斯韦的一个理想实验。
???三、理想实验在中学物理教学中的应用策略
???1、充分应用教材提供的理想实验有助于建立新的科学概念
???理想实验是一种科学思想中形象思维与抽象思维的高度统一，是透过事物表面现象，揭示其本质的过程。因此，理想实验在科学发现中有其独特功效。物理教学中要充分运用理想实验使学生进行思维训练和物理思想的培养。充分强调理想实验的实践性，并突出其思想性。
???例如，研究电场强度时，设想在电场中放置不会引起电场改变的点电荷，考查它在各点的F/q的值；讲电势时考查点电荷在各点的W/q的值，都是理想实验。许多物理概念是利用这类理想实验建立的，所以应该让学生熟悉这种思维方法。
???又如，“人造地球卫星”一节内容中，有牛顿关于“卫星上天”过程的理想实验。在讲解这一例子时要强调以下几个问题：①牛顿设想的空间是理想化的；②高山顶上抛铅球的那个人是理想化的“大力士”；③轨道随速度改变是逐渐变化的过程；④当速度达到某一值时，此球将沿圆轨道而永远不落；⑤当球由（落地的）非圆轨道转化成（不落地的）圆轨迹时，发生了“质”的飞跃，即物理过程的“质变”；⑥这一理想实验虽然在牛顿时代无法实现，但现在可实现。所以理想实验可在一定条件下转化成实际实验；⑦设想有座山的高度恰好等于月球轨道的高度，那么“大力神”抛出的物体的速度至少为多大才能绕地球作匀速圆周运动？进而引导学生思考探究，不仅能加深对万有引力定律的理解，而且充分体验、领悟到理想实验的科学价值，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面实现了有机的整合，而且这正是新课程改革所倡导的教学理念，有利于促进学生的全面发展。
???2、充分体验理想实验的提出和运用中渗透的重要物理思想或思维方法
???理想实验的提出过程和运用过程，不仅在于能够解决科学上遇到的难题，更重要的是一种物理思想或思维方式的凸显。传统的物理教学只强调物理知识的教学，忽视物理观念、物理思想、物理思维的渗透、体验、感悟，而物理能力的培养仅限于解题技巧训练；新的基础教育课程改革十分重视并强调学习过程中的过程与方法、情感态度与价值观的教学目标达成，物理理想实验就是一个方面的重要内容，教学设计和实施中重要给予足够的重视和关注。
???例如，爱因斯坦与玻尔关于量子理论的概率与不确定性解释和因果与决定性解释的争论中，双方就多次应用理想实验。
???在第五届索尔威会议上，爱因斯坦企图用一些理想实验来反驳测不准原理。首先，他设计了一个让电子通过单狭缝绕射的实验，认为这个实验可以提供一个精确的时空坐标，同时又能提供对此过程中能量和动量交换平衡的详细说明。然而，玻尔很快的指出，他不能避免在测量时仪器对电子的干扰，即电子与狭缝边缘的相互作用。爱因斯坦见单狭缝难不倒玻尔，又想出了新的实验。他承认用确定位置坐标的同一系统来精确测量动量是不可能的，所以他以分开的装置，一个测位置，一个测动量。他设计了一个电子通过双狭缝干涉的实验，当双狭缝开启时，从屏幕出现的亮点可以知道电子垂直方向的动量，分别关上其中一个狭缝，就可以知道电子的确实位置。然而玻尔在仔细思考后发现，如果关上其中任何一个狭缝，实验的状态就完全改变了。当双狭缝开启时，即便电子一个个发射出来，最后仍会在屏上形成干涉条纹。假如轮流开启一个狭缝，虽然可以得知电子究竟经过那个狭缝，但最后却不会再有干涉条纹了。就这样，这个本来是爱因斯坦用来反驳量子力学的理想实验，经由玻尔的解释在今日已成了说明测不准关系和互补原理的标准范例。
???在3年后的第六届索尔威会议上，爱因斯坦在黑板上画了一个盒子，盒上有一个小孔，可由快门来启闭．快门则由盒中的时钟机械装置来控制，小盒的重量是可以测量的．盒中装有一些辐射物质。我们可以调节快门使得刚好放出一个粒子之后就关闭。透过时钟，可以精确的量出粒子放出的时间，另外，测量粒子放出后盒子的重量，我们也可以知道粒子的质量，经由爱因斯坦的质能公式E＝mc2，能量也可以准确地计算出来，于是违反了测不准关系。这就是著名的爱因斯坦光盒实验。由于实验根本不涉及观测仪器的问题，根本没有外来粒子会改变粒子的运动。所以测不准关系破灭了，因果律和准确性都恢复了。
???玻尔遇到了严重的挑战，无法马上找到问题的答案。他和他的同事一夜未眠，检查实验的每一个细节，想要找出爱因斯坦到底错在那里。经过通宵的奋战之后，玻尔终于找出了反驳爱因斯坦的办法。第二天，玻尔也在黑板上画了一个草图，但和爱因斯坦不同的是，他给出称量小盒重量的方法。他用弹簧把小盒吊起来，盒上有一指针，可以沿固定在支架上的标尺移动，这样就可以读出小盒在粒子跑出前后的重量了。玻尔请大家回忆爱因斯坦的广义相对论中的等效原理：当时钟在重力场中发生位移时，它的快慢会发生变化。当粒子跑出盒子而导致盒子重量变化时，盒子将在重力场中移动一段距离，这样子读出的时间也会有所改变，因而导出测不准关系。
???爱因斯坦不得不承认玻尔的推论是无懈可击的。他自己在设计这个理想实验的时候，居然没有考虑到广义相对论的效应。玻尔用爱因斯坦的相对论驳倒了他本人，取得了第二回合的胜利。玻尔的胜利获得了大多数物理学家的赞同，哥本哈根解释也被奉为是量子力学的正统解释
???3、应用理想实验巧妙地发现或呈现物理规律
???理想实验有其深刻的思想性，蕴含着与“实际实验”对应的诸多物理规律。有的物理规律用数学方法推导不仅繁杂且无必要，理想实验则可解决这些问题。
???例如，几何光学中关于物体运动速度与像的移动速度的关系问题，应用数学运算较繁，且不易发现动态规律。可以设计理想实验进行教学。
???设空间放一个大凸透镜，在透镜主光轴位置上放一根钢丝，一个小杂技演员从很远的地方从钢丝上向透镜光心匀速率运动。接着设计以下连环设问的分析程序。
???①u＞2f时的分析过程。
???师：在u＞2f时，成什么像？
???生：缩小倒立的实像。
???师：小孩在无穷远（很远处）时成像在哪里？成什么样的像？
???生：焦点很近处很小的点像，“小布点儿”。
???师：当小孩到达距光心2f处时像成在哪里？多大的像？
???生：2f处，等大倒立的实像。
???师：小孩从很远处向u=2f处走动过程中，像的大小如何变化？
???生：变大。
???师：小孩（物）的速度变化吗？
???生：不变。
???师：像“走动”脚步频率与物（小孩）走动的脚步频率有什么关系？
???生：相同。
???师：物像各走一步谁的脚步大？为什么？
???生：物。因为“大人”走大步，“小人”走小步。
???师：谁的运动速度大呢？
???生：物。
???师：像的速度如何变化？
???生：变大。
???得出结论是像的长度增大，脚步增大，（频率不变）运动速度增大，但始终小于物的速度。直到u=2f时，像的速度才等于物的速度。
???这一规律可简单比喻成大人与小孩比赛走路，当走动频率相等时，谁的速度大？（当然这里把物比喻为“大人”）。最后要求学生写出像的速度与物的速度的比例关系。
???②f＜u＜2f时，同样可设计类似问题，加以解决（略），或者由学生自己分析。
???③u＜f的分析过程。
???师：u＜f时，小孩由焦点向光心运动，成什么像？
???生：放大虚像。
???师：像的大小如何变？
???生：变小。
???师：像的运动方向和起点、终点呢？
???生：向右，从左∞远向光心移动。
???师：“人”与“像”各走一步谁运动快一些？
???生：像快一些。
???师：像的速度如何变化？
???生：变慢。
???所以，当u＜f，u减小时，像的速度大于物的速度。但，像的速度在减小，实际上这相当于运动学中的追赶问题。
???④以上三个过程中物像间距如何变化？这个问题实际上可简化成运动学中“物”与“像”的追赶问题（解答略）。
???⑤以上过程中像的放大率如何变化？回答这个问题也较容易，因为只要想象一下像的变化情况便知道答案了。答案的示意图用图3表示。
???巧妙设计思想实验还可呈现实验中较难说明的规律，或巩固一些重要的物理规律，也可以让学生认识到某些规律的局限性。
???5、运用理想实验创设教学情景，激发学习兴趣，培养创新意识
???巧妙设计理想实验，可以活跃课堂气氛，融洽师生情感，从而激发学生的学习积极性与主动性。情感智商具有很强的可塑性，且情感智商的高低直接关系到学生今后的学习与工作成败。课堂教学中设计一些具有情感色彩的思想实验可有效地调节课堂气氛。现代科技的发展出现了具有幻想色彩的动画片，这对拓宽儿童的思维具有极重要的作用。教师要充分利用这些素材，经科学创新后为课堂教学服务。
???例如，有位教师在一次力学习题课中，自编了这样一个题目让学生练习。课堂实况简述如下：
???今天我们来讲一个小花猫的故事（一语道出，课堂气氛顿然活跃）。
???一次，质量为m的小花猫在捉弄唐老鸭的游戏中，一不小心从高空连同一根质量为M的长木杆一起掉落。请回答下列问题：
???(1)小花猫与木杆下落的加速度多大？
???(2)如果小花猫拼命挣扎而向上爬，结果小花猫在空中保持高度不变。那么杆子的加速度多大？小花猫对杆子的竖直方向作用力多大？方向如何？
???(3)如果在其上方有一个安全平台，小花猫有无可能使自己的高度增大爬上平台而脱离危险？
???(4)如果杆子向下的加速度为a，则小花猫的加速度多大？方向如何？
以上例子在实际生活中很难做到，实质上就是一个理想实验型的习题。
???教学中针对物理知识的重点和难点，鼓励和引导学生设计理想实验进行验证或检验，不仅可以加深认识，而且促使学生创新思维，对于全面提高学生的创新精神和实践能力具有重要意义。
???6、运用理想实验辨析、检查学生学习中常出现的错误
???学生思想中存在的错误大多是来自于对物理概念或规律的错误认识或片面理解。这时，教师必须设法给这些错误观念给予强刺激，以利于有效地纠正错误。
???例如，磁感线是封闭曲线（磁单极子不存在），是一个高中物理的基本知识点。为了让学生理解这一问题，可以设计一个理想实验让学生讨论。
???设想有一个有界匀强磁场，磁场方向向下，磁感强度为B，一矩形导线框平行于磁感线放置，一部分在磁场内，一部分在磁场外。当导线框垂直于纸面方向作平动时，线框内有无感应电流？
???分析：有的学生从切割磁感线的角度来分析，cd边切割磁感线，故线框中有感应电流。但另一些学生从磁通量角度进行研究，认为线框中磁通量始终为零，即△Φ=0，由法拉第电磁感应定律可知，线框中无感应电流。那么，法拉第电磁感应定律有无错误呢？线框中到底有无电流呢？这个“思想实验”中似乎遇到了无法克服的困难。其实，“实验”中所创设的结论是不存在的。由于磁感线是闭合的，故不可能存在如题中所设的“有界”磁场，这一思想实验说明磁感线必定闭合。如果存在不闭合的磁感线（存在磁单极子），那么整个电磁学将会有彻底的更新，当然法拉第电磁感应定律也将推翻而更正。
???理想实验作为重要的研究方法或学习方法，在平时教学中需要我们教师不断“创新”。这里创新的含义有三层：首先是科学史中或课本上存在的理想实验的创造性使用；其次是作为一个物理教师要大胆“创造”新的理想实验，使课堂教学的思维更活跃，思维力度更大、效率更高；再次是教师要鼓励和引导学生善于自己设计或提出理想实验，用以检验重要的物理概念和规律等知识，鉴别似是而非的概念或观点等，拓展思维的空间，最大限度地发展学生的思维能力。应该说明的是，随着多媒体教学手段的使用，很多理想实验可以借助三维动画来实现。便程序设计中必须十分注重理想实验的思想性和科学性，使学生更早地具有“物理头脑”，更快地掌握物理科学的思想方法。
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