物理教學(xué)中理想實驗的應(yīng)用

孫文鎮(zhèn)

摘 要：新課程高中物理教學(xué)中應(yīng)用“理想實驗”的意義， 是一種應(yīng)用邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。而“理想實驗”里借助客觀現(xiàn)象和過程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系的分析，對結(jié)論進(jìn)行證明與反駁，正是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的有效途徑。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；理想實驗；應(yīng)用

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）04-192-01

在高中物理教學(xué)中有很多實驗，其中“理想實驗”，也叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，是一種應(yīng)用邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。高中物理學(xué)中有不少很多的實驗內(nèi)容不能在實驗室完成，應(yīng)用“理想實驗”的教學(xué)方法可以很好地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和探索精神。

一、新課程高中物理教學(xué)中應(yīng)用“理想實驗”的意義

“理想實驗”在理論研究中有著重要的位置，當(dāng)然“理想實驗”的方法也有其一定的局限性，它只是一種邏輯推理的思維過程，它的作用只限于邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗認(rèn)識正確與否的標(biāo)準(zhǔn)。相反由它所得出的任何推論，都必須由實際的觀察或?qū)嶒灥慕Y(jié)果來檢驗。當(dāng)然高中教材中的理想實驗得到的結(jié)論全都已經(jīng)過了實踐的檢驗是正確的。因而在教學(xué)中，我們就可以充分利用物理教學(xué)內(nèi)容中的“理想實驗”，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，引領(lǐng)學(xué)生探求物理世界的真知。

二、新課程高中物理教材中的“理想實驗”

高中物理新教材中有著豐富的“理想實驗”內(nèi)容，以人教版高中必修和選修系列教材的“理想實驗”內(nèi)容進(jìn)行簡單總結(jié)。

從多種情況分析可知，建立或利用“理想實驗”基本上有兩大類情況：

1、條件技術(shù)不足而理想

由于技術(shù)設(shè)備的制約，有些儀器、設(shè)備在中學(xué)實驗室無法配備；或?qū)嶒炦^程復(fù)雜，耗時長，不便在中學(xué)物理實驗室里進(jìn)行實驗。這些內(nèi)容主要由老師講述、影象、動畫模擬、示意圖表等形式來展示，對研究的物理現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行聯(lián)想，從而揭示物理現(xiàn)象內(nèi)在的規(guī)律。象原子結(jié)構(gòu)、玻爾原子理論都是通過讓學(xué)生根據(jù)已有知識，進(jìn)行比較與分類，歸納與演繹等“理想實驗”操作形式模擬科學(xué)探索的歷程，逐步理解和掌握。

例如，伽利略對自由落體運(yùn)動的研究過程：首先伽利略通過邏輯推理得出亞里士多德的結(jié)論是錯誤的。然后，伽利略作了大膽的猜想，落體運(yùn)動應(yīng)該是一種簡單的運(yùn)動，落體的速度與時間或與位移是成正比。接著，伽利略通過銅球沿阻力很小的斜面滾下這一過程的嚴(yán)謹(jǐn)求實的實驗測定，得出只要傾角一定，銅球的加速度不變，他進(jìn)一步設(shè)想當(dāng)傾角為90。時，也應(yīng)如此，此時人類終于認(rèn)識自由落體運(yùn)動是勻變速直線運(yùn)動。伽利略的理想實驗是無法實現(xiàn)的，因為永遠(yuǎn)也無法將摩擦力完全消除掉。伽利略由此理想實驗得到的結(jié)論，為經(jīng)典力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。

2、現(xiàn)有的理論不夠而思想；

例如，作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律，就是“理想實驗”的一個重要結(jié)論。伽俐略曾注意到，當(dāng)一個球從一個斜面上滾下而又滾上第二個斜面時，在第二個斜面上所達(dá)到的高度同它在第一個斜面上開始滾下時的高度幾乎相等。伽俐略斷定高度上的這一微小差別是由于摩擦而產(chǎn)生的，如能將摩擦完全消除的話，高度將恰好相等。他推想，在完全沒有摩擦的情況下，不管第二個斜面的傾斜度多小，球在第二個斜面上總要達(dá)到相同的高度，只是通過的路程更長.最后，如果第二個斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個斜面上滾下來之后，將以恒定的速度在無限長的平面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動下去.這個實驗是無法實現(xiàn)的，因為永遠(yuǎn)也無法將摩擦完全消除掉。所以這只是一個“理想實驗”，但是，伽俐略由此而得到的結(jié)論，卻打破了自亞里士多德以來一千多年間關(guān)于受力運(yùn)動的物體，當(dāng)外力停止作用時便歸于靜止的陳舊觀念，這個結(jié)論被牛頓總結(jié)為運(yùn)動第一定律，即慣性定律。

三、利用“理想實驗”培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力

邏輯思想主要包括比較與分類，類比，分析與綜合，歸納于演繹等思維形式，而“理想實驗”里借助客觀現(xiàn)象和過程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系的分析，對結(jié)論進(jìn)行證明與反駁，正是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力的有效途徑。

例如：愛因斯坦在建立狹義相對論時，曾作了關(guān)于同時性的相對性的一個“理想實驗”，即當(dāng)兩道閃電同時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(fā)生的。但對于乘坐一列由東向西以高速行進(jìn)的火車正好經(jīng)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?lián)舻?因為，第二個觀察者是在靠近西方的閃電而遠(yuǎn)離東方的閃電，西方的閃電到達(dá)他的眼里的時間要早.因此，在靜止的觀察者看來是同時發(fā)生的閃電，在運(yùn)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(guān)鍵。

由此， “理想實驗”是由人們在抽象思維中設(shè)想出來而實際上無法做到的實驗，但理想實驗并不是脫離實際而主觀臆想出來的，它要以實踐為基礎(chǔ)，在科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，抓住主要因素，忽略次要因素，對實際過程做出深入的抽象分析得出正確結(jié)論，是人們按照真實實驗或?qū)嵨锬M實驗，在已有科學(xué)知識基礎(chǔ)上，把研究對象置于理想條件或假想的實驗儀器設(shè)備下加以操作，考察其運(yùn)動變化特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律的研究方法，是借助豐富的想象力，應(yīng)用嚴(yán)密的邏輯推理，在一定的實驗基礎(chǔ)上做出抽象的假說、分析、判斷與推理。教學(xué)中應(yīng)用這一方法的關(guān)鍵在于理解“理想實驗”，重點(diǎn)在于探究精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。