淺談初中物理中的理想實驗

劉運春

（四川省宜賓市第二中學校）

摘要：物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科，實驗在教學中，有利于激發學生學習物理的興趣，有得于培養學生獨立思維能力和實踐操作技能，同時豐富了學生的課余生活，讓他們反復品味到深刻的物理原理，有效的提高了課堂教育教學質量。

關鍵詞：初中物理；理想實驗；真實實驗；思維方法

物理學是一門理論科學，更是一門精確的實驗科學。物理學中的許多規律來自于實驗，又需要大量實驗來驗證，最終才能發展為指導實踐的依據。而理想實驗又是一種什么樣的實驗呢？

一、什么是理想實驗

所謂理想實驗，就是并不實際進行實驗操作，只是設想一套實驗裝置，并輔助以一定的假設作為前提和出發點，按照一系列理論進行推演，給出實驗過程和狀態的邏輯思維想法，采用已被大量事實所檢驗的物理規律或已被人們所普遍接受的物理理論和結論作為判別的標準，對實驗的結論，邏輯性或假設的合理性進行分析，以得到有用的結論。理想實驗又叫假想實驗、思想實驗、思維實驗、想象實驗或抽象實驗，是人們在思想中塑造的理想的實驗過程，是物理學中的專利和特有法寶。作為經典力學基礎的慣性定律，就是理想實驗的一個重要結論。這個結論是不能從實驗中直接得出的。1632年伽利略在實驗中注意到，當一個球從一個斜面滾下又滾上另一個斜面時，幾乎可達到相同的高度。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不停地運動下去。由此而得到的結論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關于“受力運動的物體，當外力停止作用時便歸于靜止”這一類陳舊觀念，這只是一個理想實驗，因為摩擦是永遠無法消除的。后來這個結論被牛頓總結為牛頓第一定律，為近代力學的建立奠定了基礎。

二、理想實驗與真實實驗的區別

理想實驗既不同于真實的科學實驗，又有別于純粹的理論假說或純粹的理論推演。首先，真實的實驗是方法，是加工手段，理想實驗決不能替代它。理想實驗中的普遍物理規律正是從大量真實實驗中得來的。反過來真實實驗也不可缺少理想實驗的原理化總結。但在實驗手段越來越發達的情況下，原來有些被認為只能作理論分析的理想實驗逐漸變成可用真實的實驗去逼近或實現。真實實驗的精度不斷提高，也趨近于理想實驗中理想化的要求。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，理想實驗往往是真實實驗的先驅。真實實驗也在追逐理想實驗。其次，理想實驗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。體現在理想實驗方面是有兩個最為顯著的特點：一是理想實驗要給出思維構想中的具體實驗裝置和狀態，這種裝置可以是模型化的。二是理想實驗本身都包含著一個比較判別的特征環節，無論理想實驗的運用多么靈活，都不會缺少這樣一個至關重要的本質特征成分，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驗狀態，重點在于數學推導和邏輯分析，在它本身工作中不需要一定有比較判別，通常是把所得的結論和預言再去和已知的實驗結果或未來的實驗驗證去比較判別。因此二者有所區別。

理想實驗在物理學起著不可替代的作用。首先，具體的實驗會受到具體的實驗裝置、實驗條件的制約，會牽涉到諸多如儀器精密度、誤差分析等大量煩瑣的因素，而理想實驗可以去粗取精排除干擾，高度概括。而且，今天物理學的研究，無論在微觀還是在宏觀上越來越多地進入了不能完全靠實驗證實或證偽的領域。比如，我們不可能在實驗室里讓物體坍縮到變為黑洞，史蒂芬霍金就是憑借這大量普通的思維假想實驗洞悉了宇宙黑洞的奧秘。其次，近代物理實驗的花費越來越大，有的周期也很長有些意義不大、可不做的實驗從理想實驗中分析優化出好的辦法和方案；有時候理論的論證用理想實驗就可以了，并不需要實際去做。這時，理想實驗將起到一種獨特的作用。另外，理想實驗能力的培養也是一個出色的物理學者提高思維技能、實驗能力的必修科目。在物理的教學和學習過程中也是非常重要的一個環節。許多優秀的實驗物理學家也都不僅在實際實驗本領上獨樹一幟，而且在理想實驗使用中也是獨巨匠心。

三、理想化思維方法

理想化思維方法是思維主體運用非邏輯思維方法和邏輯思維方法相結合的思維方法，抓住事物性質的主要方面，剔除次要方面，塑造理想化實驗過程、創造理想模型而從事科學創造的一種思維方法。

理想化思維方法包括在“假象實驗”、“理想實驗”、“抽象實驗”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，曾經就卡諾研究蒸汽機的基本過程方法，對理想化思維方法進行了精辟的分析。卡諾提出，在理想情況下，熱機循環是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的，這就撇開了工質溫度的變化以及工質和外界熱量交換等次要因素；又提出理想循環是可逆的，這就略去了摩擦等不可逆的因素；還提出理想循環式封閉的，從而忽略掉真實熱機工質在循環末了被系統拋棄、使循環非封閉的情況。經過這樣的簡化和純化，就以純粹的形態顯露出熱機的內部過程。盡管這樣的理想循環是不可能真正實現的。恩格斯指出，卡諾“發現蒸汽機中的基本過程并不是以純粹的形式出現，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重要的次要情況而設計了一部理想的蒸汽機（或煤氣機），的確，這樣一部機器就像幾何學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學抽象所起的同樣的作用：它表現純粹的、獨立的、真正的過程”。

總之，理想實驗作為一種抽象思維方法，其精髓在于它是物理思想、數學演繹與一般性實驗的巧妙結合，是連接抽象的理論邏輯和具體經驗知識的樞紐。但理想實驗的作用只限于邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗正確與否的標準。