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容，在物理課程的發展中有獨特的優勢，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，提高想象力和創造力，本文探討了理想實驗在高校物理教學中的運用。

關鍵詞：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在的聯系，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，根據相關的理論進行推論，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，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. 在總結物理規律方面的應用

首先，用來研究物理規律的類型。物理規律反應物理概念之間的內在聯系，代表著物理現象發展的趨勢，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方程等等。第三，將一些定理作為基礎，抽象出某個領域的宏觀規律，例如，分子動理論、光的波動說等。第四，將普遍認可的物理規律作為別的規律的基礎，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。這些規律都是透過現象看本質，經過實踐檢驗的，但是隨著科技的發展，這些理論也只是相對真理。

其次，用來歸納物理規律的方法。概念及規律是物理學的主干部分，規律的總結過程需要在教師的引導下，結合學生的認知規律，常用的總結方法有：假說法，邏輯推演法、理想實驗法等等。理想實驗作為總結物理學規律的重要方法之一，是建立在事實基礎上的發揮思維的重要作用，揭示規律的內在聯系。例如，伽利略就是運用理想實驗總結出規律，將兩個質量不同的物體，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。牛頓在總結前人基礎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，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。但是根據相關研究證實，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%。根據我國的調查顯示，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，特別在專科類學校的學生中，學生在理化等基礎普遍較弱，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，有效結合形象和具體思維，讓學生建立物理概念，激發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擊東西方向鐵路，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生，另外一個觀察者在火車上，經過第一個人的對面，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. 在創造性解答物理問題方面

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

再比如，有一質量是M的木桿靜止不動地掛在房頂上，一只貓的質量是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，根據題目中的要求和畫面，想象出類似的物理場景，結合牛頓的第二定律，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節。

現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，操作的方法及環境要求都在完全理想狀態下進行，這樣就避免了誤差的出現，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，根據理想實驗的結論，就可以發現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系，這樣能夠彌補演示實驗的缺陷。

5. 理想實驗可以調節課堂氛圍，激發學生學習的興趣

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、結語

運用理想實驗教學需要教師在教學中引領學生樹立創新思維，一方面創造性使用教材中的理想實驗，另一方面，大膽創造新的理想實驗，活躍學生的思維，此外， 隨著科學技術的發展，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