理想實驗在物理教學中的作用

摘 要：理想實驗作為一種科學方法是物理教學中的重要內(nèi)容，在物理課程的發(fā)展中有獨特的優(yōu)勢，讓學生理解掌握物理實驗并應用它能夠有效啟迪學生智慧，開拓思維，提高想象力和創(chuàng)造力，本文探討了理想實驗在高校物理教學中的運用。

關(guān)鍵詞：理想實驗；物理教學；作用

G633.7

物理學的授課中除了理想模型之外，為了順利開展物理教學，通常也會用到理想實驗。理想實驗其實就是思維中塑造實驗的過程，通過理性的分析揭秘物理學中內(nèi)在的聯(lián)系，并不需要實際的操作過程，人們可以假設實驗裝置，并且以假設作為基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)的理論進行推論，但是理想實驗并不是不切實際的主觀臆想，它以科學的實驗作為基礎(chǔ)，在思維中塑造理想，本文通過對理想實驗應用的研究，喚醒廣大師生對這一方法的重視，并作用于物理教學和學習。

一、理想實驗在高校物理教學中的應用

1. 在總結(jié)物理規(guī)律方面的應用

首先，用來研究物理規(guī)律的類型。物理規(guī)律反應物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，代表著物理現(xiàn)象發(fā)展的趨勢，包含定理、假說、法則等，主要類型有：第一，運用實驗歸納物理規(guī)律，例如，庫倫定律，安培定則、光的反射、熱力學定律等。第二，運用邏輯推理得到的物理定理例如，動能定理及理想氣體的狀態(tài)方程等等。第三，將一些定理作為基礎(chǔ)，抽象出某個領(lǐng)域的宏觀規(guī)律，例如，分子動理論、光的波動說等。第四，將普遍認可的物理規(guī)律作為別的規(guī)律的基礎(chǔ)，通常使用定律或者方程等來命名，例如，熱平衡方程、牛頓第一定律等。這些規(guī)律都是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，經(jīng)過實踐檢驗的，但是隨著科技的發(fā)展，這些理論也只是相對真理。

其次，用來歸納物理規(guī)律的方法。概念及規(guī)律是物理學的主干部分，規(guī)律的總結(jié)過程需要在教師的引導下，結(jié)合學生的認知規(guī)律，常用的總結(jié)方法有：假說法，邏輯推演法、理想實驗法等等。理想實驗作為總結(jié)物理學規(guī)律的重要方法之一，是建立在事實基礎(chǔ)上的發(fā)揮思維的重要作用，揭示規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系。例如，伽利略就是運用理想實驗總結(jié)出規(guī)律，將兩個質(zhì)量不同的物體，在忽略空氣阻力的情況下，讓其下落，那么這一運動的加速度是重力加速度，也是勻變速直線運動。雖然這一假設的情況并不存在于現(xiàn)實中，是理想情況下進行的思維實驗，但是這是合乎實際的想象。通過運用理想實驗，伽利略歸納出，力的作用主要在于改變物體運動狀態(tài)和速度，物體的運動并不需要依靠力來維持，也就是慣性定律。牛頓在總結(jié)前人基礎(chǔ)上指出牛頓三大定律：所有物體都是保持勻速直線運動或者靜止的狀態(tài)，直到有力作用于其上迫使改變，也就是牛頓的慣性定律。

2. 在建立物理概念方面

皮亞杰的認知發(fā)展階段論研究表明，初中學生的物理思維方式主要以形式運算為主。但是根據(jù)相關(guān)研究證實，美國初中生只有13.2%，即便是高中生也只有15%的人能夠真正意義上達到形式運算階段。研究甚至表明大學生中能夠達到形式思維運算的也只有22%。根據(jù)我國的調(diào)查顯示，我國大學生生中大概還有一半的學生仍然處于具體思維運算階段。在目前大學擴招的情況下，特別在?？祁悓W校的學生中，學生在理化等基礎(chǔ)普遍較弱，此類學校的幾乎大部分的學生都還是處在具體運算階段，思維的片面性和想象能力相對缺乏。學生思維能力比較膚淺，大多數(shù)時候都需要具體的事物來輔助想象，認知能力有限，所以物理教師應該結(jié)合不同階段學生的思維方式的特點，增強物理概念的直觀性和形象性。而理想實驗恰恰是建立在學生對真實實驗感知的基礎(chǔ)上的合乎邏輯的想象，在進行物理知識授課時，可以借助理想實驗的實踐性，有效結(jié)合形象和具體思維，讓學生建立物理概念，激發(fā)學生對物理課堂的熱愛。

在講解愛因斯坦的狹義相對論的時候，首先要介紹相對性原理和光速不變性原理，相對性原理正是從理想實驗中得出來的。理想實驗應該是這樣設計的，假設天空中的閃電同時下?lián)魱|西方向鐵路，第一位觀察者在鐵路旁邊，同時也在閃電中間，那么他看到閃電同時發(fā)生，另外一個觀察者在火車上，經(jīng)過第一個人的對面，在他看來，閃電并非同時，東方閃電沒有到達時，車已經(jīng)過去，第二個人在遠離東方閃電，也就是說對于靜止的人來說，閃電是同時的，對于高速運動的人來說，閃電有先后，再進一步假設，火車是光速行使，那么第二個人根本看不到東方的閃電，這個理想實驗能夠得出同時是相對的，并不是絕對相對性。

3. 在創(chuàng)造性解答物理問題方面

很多的物理問題中的狀態(tài)、過程都是多個要素和關(guān)系的交叉體，比較復雜，在分析相關(guān)問題時一方面要注意物理問題涉及到的各個要素和關(guān)系，另一方面還要考慮到他們之間的關(guān)系變化，在實際解決起來錯綜復雜。設計合理的理想實驗能夠結(jié)合問題的特點，將其關(guān)系到的狀態(tài)及對象放置在絕對理想的環(huán)境下，那么就會讓問題變得簡單。

例如，假設桌子上有一個U型管，里面裝著水銀，將U型管的兩端口封閉，同時，兩邊存有一段空氣，最初，右端口的水銀比左端口的水銀高，設高出的高度的h，被封閉的兩端的空氣溫度一樣，那么如果使兩邊的空氣溫度同時下降，那么兩端的高度差怎么變化？這里我們就可以根據(jù)器材幫助學生設計理想實驗，因為下降的溫度是不確定的，那么就可以假設都下降到絕對0度，這樣，U型管兩端的壓強都會變成0Pa，因為0度的情況下，水銀分子就不會運動，壓強也就為0。既然壓強為0，那么兩端的水銀也就不存在高度差了，h=0，所以利用這個理想實驗能夠得出結(jié)論。

再比如，有一質(zhì)量是M的木桿靜止不動地掛在房頂上，一只貓的質(zhì)量是m跳起抓住桿子，這樣導致木桿掉落，如果貓離著地面的高度不發(fā)生變化，怎么解釋木桿下降的加速度？

這個問題中講述的情況幾乎在現(xiàn)實中不存在，這種情況下，物理老師需要幫助學生建立理想實驗的思維模式，根據(jù)題目中的要求和畫面，想象出類似的物理場景，結(jié)合牛頓的第二定律，做出判斷，木桿下降的加速度肯定要比只承受重力的時候的加速度大，在此，使用物理實驗能夠幫助學生勾勒出物體運動的畫面，提高他們建立模型的能力，發(fā)揮想象。

4. 在輔助真實實驗方面

實驗研究法是物理學很重要的研究方法，幫助學生掌握研究及實驗方法，根據(jù)研究客體的分類可以將實驗分為直接和間接兩類，一般說的實驗大多數(shù)都是指直接實驗，間接試驗主要指模擬實驗和理想實驗，在一定程度上來說，模擬和理想實驗都是對真實實驗的補充，在這里探究理想實驗的輔助作用。

新課改后，高校物理實驗課程中增加了探究性實驗，由于其結(jié)果的未知性，增加了實驗過程的難度，再者實驗課堂時間有限，這對學生和老師的要求更高。學生在進行探究性實驗之前需要預先設計實驗過程，這就需要借助理想實驗精心設計每個環(huán)節(jié)。

現(xiàn)實中的真實物理實驗有時候受到實驗器材、方法等方面的限制，容易出現(xiàn)誤差，但是，理想實驗正彌補了這點不足，它不需要真實的實驗設備，操作的方法及環(huán)境要求都在完全理想狀態(tài)下進行，這樣就避免了誤差的出現(xiàn)，這也為真實實驗的誤差彌補和分析提供了標準。比如，在驗證機械能守恒時，多種方法的實驗都會受到各種問題的限制，勢能的減小總是大于動能的增加量，這就意味著出現(xiàn)機械能減小。但是，假設預先對物體的下落做一個理想實驗，那么在理想實驗的過程中，就能夠及時察覺到，在真實的實驗條件下，紙帶和打點計時器中間會有摩擦，正是這個摩擦力導致機械能減少。除此之外，物體在下落的過程中，由于真實條件下空氣阻力的存在，導致機械能被消耗，所以減少，根據(jù)理想實驗的結(jié)論，就可以發(fā)現(xiàn)真實實驗的誤差原因，及時更改，完善實驗，盡量減少誤差。這樣可以幫助學生深入思考，提高形象思維能力，從而得出結(jié)論。

在物理教學實驗過程中，很多實驗只能進行定性的研究和演示，很難進行定量觀察。所以教學中會有這樣的說法，大量精確實驗表明，實際上這種說法不準確，物理老師也無奈，所以在教學中可以引導學生通過理想實驗，推理各種物理量的聯(lián)系，這樣能夠彌補演示實驗的缺陷。

5. 理想實驗可以調(diào)節(jié)課堂氛圍，激發(fā)學生學習的興趣

理想實驗設置科學合理可以有效活躍課堂氛圍，增進師生感情，激發(fā)學生的興趣，提高情商和智商的可塑性，能夠影響學生今后的學習甚至工作。還可以借助現(xiàn)代科技設計色彩動畫，能夠拓寬學生思維。對于很多難以理解的內(nèi)容，借助理想實驗可以出于簡單歸于深奧，比如，麥克斯韋進行的理想實驗用鮮明的圖像解釋了熱力學定律，作為信息論的先導。

二、結(jié)語

運用理想實驗教學需要教師在教學中引領(lǐng)學生樹立創(chuàng)新思維，一方面創(chuàng)造性使用教材中的理想實驗，另一方面，大膽創(chuàng)造新的理想實驗，活躍學生的思維，此外， 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學方式的應用，還可以使用三維動畫的方式進行理想實驗，但是注意理想實驗設計要符合科學規(guī)律，幫助學生運用科學的思維方式。

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作者簡介：石應基 男 1986年6月15日出生 主要從事物理教學工作