淺談中學物理中的理想實驗

於平

【摘要】在物理學中，理想實驗主要分為兩類，一類是通過理想實驗直接為建立物理理論提供依據，另外一類則是通過理想實驗的推翻原有錯誤的理論或者習慣思維。

【關鍵詞】物理；理想實驗

物理學是一門研究物質結構、物質相互作用和運動規律的自然科學，它旨在揭示事物的內在規律、萬物的道理。從經典物理學到現代物理學，物理學知識不斷地推動著人類科技的發展，從各個方面深刻的影響著人類的生活。而其實質就是以實驗和觀察為基礎的自然科學。

實驗是科學研究的基本方法之一，其中有一種實驗叫做理想實驗。理想實驗雖然也叫做實驗，但是它和真是的自然科學實驗有著本質的區別。它是建立在現有的理論基礎上，通過邏輯推導得出的結論。可以說它是存在于人腦中的實驗，是真正的人腦思維的結晶。在物理學中，理想實驗主要分為兩類，一類是通過理想實驗直接為建立物理理論提供依據，另外一類則是通過理想實驗的推翻原有錯誤的理論或者習慣思維。

對于第一類情況，其代表就是為了證明經典物理學基礎的慣性定律也就是牛頓第一定律，它其實就是一個理想實驗的重要結論。在牛頓第一定律中，它指出了物體的一種性質，叫做慣性。慣性可以使一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止。我們仔細的觀察它的描述可以發現，一切物體總保持勻速直線運動狀態時不可能發生的，因為在其運動當中，任何物體都做不到不受外力干擾，一直勻速直線運動下去。那么這樣的結論是怎么得到的呢？其實它的理論基礎是源于伽利略做的一個叫做斜面實驗的理想實驗。伽利略認為在忽略了摩擦力和空氣阻力的情況下，如下圖甲所示，小球從靜止開始沿斜面滾下來，將滾上另一個斜面并且上升到原來的高度。他推論出如果我們像下圖乙中那樣改變第二個斜面的傾角，小球依然會上升到同樣高度，但是小球滾過的路程更長。如果像下圖丙中那樣繼續改變第二個斜面的傾角直至水平，小球將再也達不到原來的高度，而沿著水平面以恒定的速度一直這么運動下去。

圖：伽利略的斜面實驗

伽利略的這個斜面實驗，是典型的理想實驗，因為他忽略了摩擦力和空氣阻力的作用，而這些阻力其實都是真是存在的，并且在實際試驗中也不能忽略。但就是這個只能在腦子里做出的理想實驗為牛頓第一定律的得出奠定了基礎。因為它教會了我們理想實驗可以以可靠的事實為基礎，經過抽象思維，抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然科學規律。

除了伽利略，物理學史上有很多物理學家都是理想實驗的大師，像愛因斯坦，他在建立狹義相對論時，曾經作了關于同時性的相對性的一個理想實驗。即當兩道閃電同時下擊一條東西方向的鐵路軌道時，對于站在兩道閃電正中間的鐵道旁邊的一個觀察者來說，這兩道閃電是同時發生的。但是，對于乘坐一列由東向西以高速行進的火車正好經過第一個觀察者對面的第二個觀察者來說，這兩道閃電并不是同時下擊的。因為，第二個觀察者是在行近西方的閃電而遠離東方的閃電，西方的閃電到達他的眼里的時間要早一點。因此，在靜止的觀察者看來是同時發生的閃電，在運動中的觀察者看來卻是西方先亮，接著東方再亮。同時性的相對性這一概念的提出，是狹義相對論建立過程中的一個關鍵。

對于第二類情況，通過理想實驗的推翻原有錯誤的理論或者習慣思維。這在物理學上經常遇到。比如古希臘哲學家亞里斯多德認為物體的下落速度和重量成正比，物體越重，下落的速度越快。但是在伽利略在晚年出版的《關于兩門新科學的對話》一書中，詳細介紹了一個理想實驗。根據當時教的亞里斯多德物理學，每個物體在每種介質中都有一個自然下落速度，在同一種介質中，物體的下落速度和它的重量成正比，物體越重，下落的速度越快。伽利略據此設想，有一重一輕兩個球，重球的下落速度將比輕球快。再設想把這兩個球綁在一起，速度慢的輕球會拖慢速度快的重球，因此它們一起下落的速度應介于它們各自下落的速度之間。但是兩球合在一起的重量大于重球，它們一起下落的速度又應該比它們各自下落的速度都大。這樣就出現了自相矛盾，因此亞里斯多德的落體運動法則是不能成立的。伽利略就這樣通過一個理想實驗，推翻了亞里斯多德的這個統治了人類思想近兩千年，當時被認為是不變真理的落體運動法則。

總之，理想實驗作為一種特殊的實驗形式，對自然科學的研究有著重要作用。對于剛剛學習物理學的學生來說，它是一種抽象的方法，學習這種方法不但有助于我們理解物理，也幫助我們發散思維，通過理想實驗找到解決各種實際問題的方法。