淺談初中物理中的理想實(shí)驗(yàn)

劉運(yùn)春

（四川省宜賓市第二中學(xué)校）

摘要：物理是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，有得于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思維能力和實(shí)踐操作技能，同時豐富了學(xué)生的課余生活，讓他們反復(fù)品味到深刻的物理原理，有效的提高了課堂教育教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：初中物理；理想實(shí)驗(yàn)；真實(shí)實(shí)驗(yàn)；思維方法

物理學(xué)是一門理論科學(xué)，更是一門精確的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。物理學(xué)中的許多規(guī)律來自于實(shí)驗(yàn)，又需要大量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，最終才能發(fā)展為指導(dǎo)實(shí)踐的依據(jù)。而理想實(shí)驗(yàn)又是一種什么樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

一、什么是理想實(shí)驗(yàn)

所謂理想實(shí)驗(yàn)，就是并不實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，只是設(shè)想一套實(shí)驗(yàn)裝置，并輔助以一定的假設(shè)作為前提和出發(fā)點(diǎn)，按照一系列理論進(jìn)行推演，給出實(shí)驗(yàn)過程和狀態(tài)的邏輯思維想法，采用已被大量事實(shí)所檢驗(yàn)的物理規(guī)律或已被人們所普遍接受的物理理論和結(jié)論作為判別的標(biāo)準(zhǔn)，對實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，邏輯性或假設(shè)的合理性進(jìn)行分析，以得到有用的結(jié)論。理想實(shí)驗(yàn)又叫假想實(shí)驗(yàn)、思想實(shí)驗(yàn)、思維實(shí)驗(yàn)、想象實(shí)驗(yàn)或抽象實(shí)驗(yàn)，是人們在思想中塑造的理想的實(shí)驗(yàn)過程，是物理學(xué)中的專利和特有法寶。作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律，就是理想實(shí)驗(yàn)的一個重要結(jié)論。這個結(jié)論是不能從實(shí)驗(yàn)中直接得出的。1632年伽利略在實(shí)驗(yàn)中注意到，當(dāng)一個球從一個斜面滾下又滾上另一個斜面時，幾乎可達(dá)到相同的高度。他斷定高度上的這一微小差別是由于摩擦而產(chǎn)生的，如果能將摩擦完全消除的話，高度就會完全相等。隨后，他又假設(shè)說，如果第二個斜面的斜度完全消除了，那么球從第一個斜面滾下后，將以恒定的速度在無限長的光滑斜面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動下去。由此而得到的結(jié)論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關(guān)于“受力運(yùn)動的物體，當(dāng)外力停止作用時便歸于靜止”這一類陳舊觀念，這只是一個理想實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槟Σ潦怯肋h(yuǎn)無法消除的。后來這個結(jié)論被牛頓總結(jié)為牛頓第一定律，為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。

二、理想實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)的區(qū)別

理想實(shí)驗(yàn)既不同于真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，又有別于純粹的理論假說或純粹的理論推演。首先，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)是方法，是加工手段，理想實(shí)驗(yàn)決不能替代它。理想實(shí)驗(yàn)中的普遍物理規(guī)律正是從大量真實(shí)實(shí)驗(yàn)中得來的。反過來真實(shí)實(shí)驗(yàn)也不可缺少理想實(shí)驗(yàn)的原理化總結(jié)。但在實(shí)驗(yàn)手段越來越發(fā)達(dá)的情況下，原來有些被認(rèn)為只能作理論分析的理想實(shí)驗(yàn)逐漸變成可用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)去逼近或?qū)崿F(xiàn)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)的精度不斷提高，也趨近于理想實(shí)驗(yàn)中理想化的要求。二者是融會貫通的，不是割裂的，可依具體問題的需求和分析加以取舍，理想實(shí)驗(yàn)往往是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)也在追逐理想實(shí)驗(yàn)。其次，理想實(shí)驗(yàn)中理論假說或理論推演的成分是很多的，甚至是主要的。但二者也有很大的不同。體現(xiàn)在理想實(shí)驗(yàn)方面是有兩個最為顯著的特點(diǎn)：一是理想實(shí)驗(yàn)要給出思維構(gòu)想中的具體實(shí)驗(yàn)裝置和狀態(tài)，這種裝置可以是模型化的。二是理想實(shí)驗(yàn)本身都包含著一個比較判別的特征環(huán)節(jié)，無論理想實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用多么靈活，都不會缺少這樣一個至關(guān)重要的本質(zhì)特征成分，如伽利略用不同邏輯演繹得出的悖論作為比較判別。與之相比，理論假說和理論推演則不需要一定給出具體的參考實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，重點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)和邏輯分析，在它本身工作中不需要一定有比較判別，通常是把所得的結(jié)論和預(yù)言再去和已知的實(shí)驗(yàn)結(jié)果或未來的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證去比較判別。因此二者有所區(qū)別。

理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)起著不可替代的作用。首先，具體的實(shí)驗(yàn)會受到具體的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)條件的制約，會牽涉到諸多如儀器精密度、誤差分析等大量煩瑣的因素，而理想實(shí)驗(yàn)可以去粗取精排除干擾，高度概括。而且，今天物理學(xué)的研究，無論在微觀還是在宏觀上越來越多地進(jìn)入了不能完全靠實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽的領(lǐng)域。比如，我們不可能在實(shí)驗(yàn)室里讓物體坍縮到變?yōu)楹诙矗返俜一艚鹁褪菓{借這大量普通的思維假想實(shí)驗(yàn)洞悉了宇宙黑洞的奧秘。其次，近代物理實(shí)驗(yàn)的花費(fèi)越來越大，有的周期也很長有些意義不大、可不做的實(shí)驗(yàn)從理想實(shí)驗(yàn)中分析優(yōu)化出好的辦法和方案；有時候理論的論證用理想實(shí)驗(yàn)就可以了，并不需要實(shí)際去做。這時，理想實(shí)驗(yàn)將起到一種獨(dú)特的作用。另外，理想實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)也是一個出色的物理學(xué)者提高思維技能、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ谋匦蘅颇?。在物理的教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。許多優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家也都不僅在實(shí)際實(shí)驗(yàn)本領(lǐng)上獨(dú)樹一幟，而且在理想實(shí)驗(yàn)使用中也是獨(dú)巨匠心。

三、理想化思維方法

理想化思維方法是思維主體運(yùn)用非邏輯思維方法和邏輯思維方法相結(jié)合的思維方法，抓住事物性質(zhì)的主要方面，剔除次要方面，塑造理想化實(shí)驗(yàn)過程、創(chuàng)造理想模型而從事科學(xué)創(chuàng)造的一種思維方法。

理想化思維方法包括在“假象實(shí)驗(yàn)”、“理想實(shí)驗(yàn)”、“抽象實(shí)驗(yàn)”和理想模型的具體的理想化過程之中。

恩格斯在《自然辨證法》中，曾經(jīng)就卡諾研究蒸汽機(jī)的基本過程方法，對理想化思維方法進(jìn)行了精辟的分析?？ㄖZ提出，在理想情況下，熱機(jī)循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的，這就撇開了工質(zhì)溫度的變化以及工質(zhì)和外界熱量交換等次要因素；又提出理想循環(huán)是可逆的，這就略去了摩擦等不可逆的因素；還提出理想循環(huán)式封閉的，從而忽略掉真實(shí)熱機(jī)工質(zhì)在循環(huán)末了被系統(tǒng)拋棄、使循環(huán)非封閉的情況。經(jīng)過這樣的簡化和純化，就以純粹的形態(tài)顯露出熱機(jī)的內(nèi)部過程。盡管這樣的理想循環(huán)是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。恩格斯指出，卡諾“發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)中的基本過程并不是以純粹的形式出現(xiàn)，而是被各種各樣的次要過程掩蓋住了；于是他撇開了這些對主要過程無關(guān)重要的次要情況而設(shè)計(jì)了一部理想的蒸汽機(jī)（或煤氣機(jī)），的確，這樣一部機(jī)器就像幾何學(xué)上的線和面一樣是絕不可能制造出來的，但是它按照自己的方式起了像這些數(shù)學(xué)抽象所起的同樣的作用：它表現(xiàn)純粹的、獨(dú)立的、真正的過程”。

總之，理想實(shí)驗(yàn)作為一種抽象思維方法，其精髓在于它是物理思想、數(shù)學(xué)演繹與一般性實(shí)驗(yàn)的巧妙結(jié)合，是連接抽象的理論邏輯和具體經(jīng)驗(yàn)知識的樞紐。但理想實(shí)驗(yàn)的作用只限于邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗(yàn)正確與否的標(biāo)準(zhǔn)。