關于理想斜面實驗和斜面理想實驗的探討

摘要：理想實驗是物理學的重要研究方法之一，伽利略的斜面實驗的理想兩字究竟該如何理解，理想兩字應該置于“實驗”之前還是“斜面”之前？本文通過研究理想實驗的特征、查閱了國外原版教材中的名稱，給出了科學的答案。

關鍵詞：理想實驗;思想實驗;伽利略;斜面實驗

伽利略的理想實驗方法是物理學中一種重要的研究方法，對科學思維核心素養培養有著息息相關的作用。但是對于“理想實驗”存在兩種不同的理解：第一種理解為“理想斜面”——即將不存在摩擦力，絕對光滑的斜面稱之為理想斜面，而伽利略的結論就是基于理想斜面才能成立的。簡單說來就是在理想的斜面上做實驗，故第一種叫做“理想斜面實驗”;第二種理解為“思想實驗”——即在頭腦中進行實驗，并非真正的實驗。簡單說來就是依靠想象力進行實驗，也叫想象實驗。故將第二種理解稱為“斜面理想實驗”。

龐惠華和章強在提出了牛頓第一定律的教學中，“伽利略理想斜面實驗”是最核心的內容，而上海科學技術出版社（下稱上科版）的高中一年級第一學期物理教材（2007版）的第74頁，明確寫出了“伽利略的斜面理想實驗”的小標題，提出“理想實驗又叫想像實驗，它以可靠的事實為基礎，突出主要因素，忽略次要因素，通過抽象思維深刻揭示自然規律。”

“理想斜面實驗”和 “斜面理想實驗”兩種說法，“理想”兩字的位置不同，含義更不同，哪種叫法是準確的？

“理想斜面”是基于物理學中“物理模型”或“理想模型”延伸出來的概念，高中所學的“質點”、“理想氣體”、“點電荷”等物理模型都是抓住主要矛盾，忽略了次要因素，而抽象出來的概念。而“理想實驗”，又叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。 “理想實驗”雖然也叫做“實驗”，但并非真實的科學實驗，真實的科學實驗是一種實踐的活動，而“理想實驗”則是一種思維的活動;前者是可以將設計通過物化過程而實現的實驗，后者則是由人們在抽象思維中設想出來而實際上無法做到的“實驗”。理想實驗是以可靠事實為基礎的，并非是無依據的猜測。

秦謹瓊、錢長炎指出，思想實驗即用想象的裝置來進行實驗。它本質上屬于一種思維方式，一種特殊的科學工具。思想實驗可以劃分為五個階段。許瑩瑩提出了理想實驗分成了兩類，即常見情境的理想實驗和特殊情境的理想實驗。

世界上有很多思想實驗的例子，比如說“愛因斯坦的光線”，愛因斯坦著名的狹義相對論是受啟于他16歲做的思想實驗。在他的自傳中，愛因斯坦回憶道他當時幻想在宇宙中追尋一道光線。他推理說，如果他能夠以光速在光線旁邊運動，那么他應該能夠看到光線成為“在空間上不斷振蕩但停滯不前的電磁場”。對于愛因斯坦，這個思想實驗證明了對于這個虛擬的觀察者，所有的物理定律應該和一個相對于地球靜止的觀察者觀察到的一樣。

再比如說，“薛定諤的貓”。薛定諤之貓最早由物理學家薛定諤提出，是量子力學領域中的一個悖論。其內容是：一只貓、一些放射性元素和一瓶毒氣一起被封閉在一個盒子里一個小時。在一個小時內，放射性元素衰變的幾率為50%。如果衰變，那么一個連接在蓋革計數器上的錘子就會被觸發，并打碎瓶子，釋放毒氣，殺死貓。因為這件事會否發生的概率相等，薛定鍔認為在盒子被打開前，盒子中的貓被認為是既死又活的。可見思想實驗與什么理想化條件沒有任何聯系。沒有理想化條件，一樣可以進行思想實驗。

所以，物理學中進行思想實驗是一件非常普遍而有趣的事情，甚至我們在生活中也經常做思想實驗，比如說“先救誰？”的思想實驗，妻子問丈夫，如果我和你母親一起掉進了河里，你先救誰？

再用外國的原版教材來佐證我們的想法，如果是理想斜面實驗，則應該翻譯成“ideal slope experiment”，其中必定會有ideal（理想的）這個單詞，如果是斜面理想實驗，則側重于進行想象的實驗，應該在實驗前出現諸如thinking（思考），thought（思想）等單詞，加拿大尼爾森版《Physics 11》中的第二章59頁中提到了牛頓第一定律實驗，內容如下

Prior to the 1600s， most natural philosophers （early scientists） held a simplistic view of motion. They believed that a constant force was needed to produce constant velocity. Increasing the force caused increased velocity. Decreasing the force caused decreased velocity. Removing the force caused the velocity to become zero. Galileo， the Renaissance physicist， questioned this view. Galileo performed real experiments with a ball rolling down and up sloped ramps. He also performed virtual experiments （thought experiments） to try to explain his ideas. Galileos virtual experiments（虛擬實驗） are illustrated in Figure 1.

Whitaker和Robert J在Aristotle is not dead： Student understanding of trajectory motion中說道：“Six questions on trajectory motion， based on Galileos thought experiments（思想實驗）‘ in his Dialogue Concerning The Two Chief World Systems， were given to students in several different introductory Physics classes. ”文中出現了thought experiments的詞匯。

上述兩篇文章中出現的兩種說法與思想實驗更加貼近，通過查閱文獻可知“thought experiments”來源自德語gedanken experiments，譯作思想實驗。

總結：理想實驗是在思想中進行實驗，也可以用形象的圖片等把自己的思想表現出來，但無論有沒有圖片，都與實物實驗有區別。“斜面理想實驗”的名稱更符合語言習慣，即在斜面上的思想實驗，而若叫做“理想斜面實驗”會導致學生甚至老師的誤解。

參考文獻

[1]龐惠華，章強.幾種“ 伽利略斜面實驗”教學設計的比較和改進[J].物理通報，2019，38（11）：71-73.

[2] 高中物理第一年級第一冊物理課本.上海科學技術出版社（2007版）[s].

[3]秦瑾瓊，錢長炎.基于思想實驗的高中物理“宇宙航行”教學設計[J].物理教學探討，2019，37（06）：28-30+33.

[4]許瑩瑩. 中學物理“理想實驗”教學策略研究[D].廣西師范大學，2014.

[5]Maurice DiGiuseppe，Chirstopher T.Howes， et al. Nelson Physics 11， Toronto，Canada，2011.

[6]Whitaker， Robert J . Aristotle is not dead： Student understanding of trajectory motion[J]. American Journal of Physics， 1983， 51（4）：352.

作者簡介

張志民（1976年4月-），男，漢族，上海，中級，碩士研究生，單位、：上海市閔行中學，研究方向：課程與教學論。