物理教學(xué)中理想實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”的意義， 是一種應(yīng)用邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法。而“理想實(shí)驗(yàn)”里借助客觀現(xiàn)象和過(guò)程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系的分析，對(duì)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(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

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

在高中物理教學(xué)中有很多實(shí)驗(yàn)，其中“理想實(shí)驗(yàn)”，也叫做“假想實(shí)驗(yàn)”、“抽象的實(shí)驗(yàn)”或“思想上的實(shí)驗(yàn)”，是一種應(yīng)用邏輯推理的思維過(guò)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容不能在實(shí)驗(yàn)室完成，應(yīng)用“理想實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)”的意義

“理想實(shí)驗(yàn)”在理論研究中有著重要的位置，當(dāng)然“理想實(shí)驗(yàn)”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(guò)程，它的作用只限于邏輯上的證明與反駁，而不能用來(lái)作為檢驗(yàn)認(rèn)識(shí)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(shí)際的觀察或?qū)嶒?yàn)的結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)。當(dāng)然高中教材中的理想實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論全都已經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”，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(shí)驗(yàn)”

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

從多種情況分析可知，建立或利用“理想實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)室無(wú)法配備；或?qū)嶒?yàn)過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，不便在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這些內(nèi)容主要由老師講述、影象、動(dòng)畫(huà)模擬、示意圖表等形式來(lái)展示，對(duì)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(guò)讓學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，進(jìn)行比較與分類，歸納與演繹等“理想實(shí)驗(yàn)”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(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究過(guò)程：首先伽利略通過(guò)邏輯推理得出亞里士多德的結(jié)論是錯(cuò)誤的。然后，伽利略作了大膽的猜想，落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是一種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，落體的速度與時(shí)間或與位移是成正比。接著，伽利略通過(guò)銅球沿阻力很小的斜面滾下這一過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，也應(yīng)如此，此時(shí)人類終于認(rèn)識(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。伽利略的理想實(shí)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛肋h(yuǎn)也無(wú)法將摩擦力完全消除掉。伽利略由此理想實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”的一個(gè)重要結(jié)論。伽俐略曾注意到，當(dāng)一個(gè)球從一個(gè)斜面上滾下而又滾上第二個(gè)斜面時(shí)，在第二個(gè)斜面上所達(dá)到的高度同它在第一個(gè)斜面上開(kāi)始滾下時(shí)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(méi)有摩擦的情況下，不管第二個(gè)斜面的傾斜度多小，球在第二個(gè)斜面上總要達(dá)到相同的高度，只是通過(guò)的路程更長(zhǎng).最后，如果第二個(gè)斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個(gè)斜面上滾下來(lái)之后，將以恒定的速度在無(wú)限長(zhǎng)的平面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動(dòng)下去.這個(gè)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛肋h(yuǎn)也無(wú)法將摩擦完全消除掉。所以這只是一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”，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(lái)一千多年間關(guān)于受力運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)外力停止作用時(shí)便歸于靜止的陳舊觀念，這個(gè)結(jié)論被牛頓總結(jié)為運(yùn)動(dòng)第一定律，即慣性定律。

三、利用“理想實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)”里借助客觀現(xiàn)象和過(guò)程之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系的分析，對(duì)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(ài)因斯坦在建立狹義相對(duì)論時(shí)，曾作了關(guān)于同時(shí)性的相對(duì)性的一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”，即當(dāng)兩道閃電同時(shí)擊一條東西方向的鐵路軌道時(shí)，對(duì)于站在兩道閃電正中間的鐵道旁邊的一個(gè)觀察者來(lái)說(shuō)，這兩道閃電是同時(shí)發(fā)生的。但對(duì)于乘坐一列由東向西以高速行進(jìn)的火車(chē)正好經(jīng)過(guò)第一個(gè)觀察者對(duì)面的第二個(gè)觀察者來(lái)說(shuō)，這兩道閃電并不是同時(shí)下?lián)舻?因?yàn)椋诙€(gè)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(shí)間要早.因此，在靜止的觀察者看來(lái)是同時(shí)發(fā)生的閃電，在運(yùn)動(dòng)中的觀察者看來(lái)卻是西方先亮，接著東方再亮.同時(shí)性的相對(duì)性這一概念的提出，是狹義相對(duì)論建立過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵。

由此， “理想實(shí)驗(yàn)”是由人們?cè)诔橄笏季S中設(shè)想出來(lái)而實(shí)際上無(wú)法做到的實(shí)驗(yàn)，但理想實(shí)驗(yàn)并不是脫離實(shí)際而主觀臆想出來(lái)的，它要以實(shí)踐為基礎(chǔ)，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要因素，忽略次要因素，對(duì)實(shí)際過(guò)程做出深入的抽象分析得出正確結(jié)論，是人們按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵨锬M實(shí)驗(yàn)，在已有科學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)上，把研究對(duì)象置于理想條件或假想的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備下加以操作，考察其運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上做出抽象的假說(shuō)、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(shí)驗(yàn)”，重點(diǎn)在于探究精神和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。