理想实验在物理学中的作用.doc

题目：理想实验在物理学中的作用院 （系）： 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2009.06.03 摘要：“理想实验”是一种重要的科学研究方法，对物理学的发展，对物理学新理论的建立、对已有理论的补充和完善都起到了重要作用、物理学中应重视对“理想实验”的研究和应用。它又是物理教育的重要组成物理教育中引入“理想实验”，对培养学生的想象力、创新思维能力、科学抽象能力都具有重要的作用。 关键词： 物理实验 理想实验 物理学发展 物理学教育 Ideal experiment in the role of physicsShiWei PangSuperivsed by Xiuying Gan11 Physics Department, Unv. Shihezi, Shizhezi 832000, P.R.ChinaAbstractIdeal experiment is an important method of scientific research on the development of revolutionary physics, on the establishment of a new theory of physics, the theory has been to supplement and perfect play an important role in physics should pay attention to the ideal experiment of research and application. It is also an important component of physical education. Physical education, the introduction of an ideal experiment on the imagination of students, creative thinking ability, scientific ability to abstract has an important role.Key words: Physics Experiment Ideal experimental Physical development Physics Education目 录1.引言2.物理学中的理想实验3.理想实验与物理学的发展3. 1 理想实验在经典物理学建立中的作用3. 2 理想实验对现代物理学建立的作用3.3 理想实验对将来物理学发展的作用4.理想实验与物理教育4.1理想实验对物理教育的促进作用4.2理想实验可以培养学生的想象力与锻炼学生的逻辑思维能力4.3 理想实验可以培养学生的创新能力与锻炼学生的怀疑与批判精神4.4理想实验可以培养学生的科学抽象能力4.5 物理教育中运用理想实验促进物理学习5.致谢6.参考文献 1.引言：物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以物理实验为基础，并受到实验的检验。物理实验，同其它自然科学实验一样，是实验者根据一定的研究目的，运用相应的物质手段（实验仪器、设备等），主动干预或控制现象，模拟物理现象或物理过程，以便在典型环境中或特定条件下获得一定物理事实的一种探索活动。物理实验的构成要素也同其它自然科学实验一样，是实验者、实验对象和实验手段三者组成。物理实验的过程，就是实验者通过自己有目的活动，借助实验手段，观察和研究实验对象,演绎客观变化的过程。物理实验论文就是表述这一过程及这一过程的结论。随着科学的发展，物理学所研究的内容越来越丰富，所研究的物理问题越来越深入，正在向着纵深的方向发展。与此相适应，为检验物理定律或假设所需的实验手段必须越来越先进，于是，物理实验就以一种独立的形式与物理理论并行或交叉式发展，两者相互促进、共同发展。物理实验的目的是为了检证物理定理、定律乃至物理理论的正确性，或深化对某一规律的认识。与此目的相适应，物理实验是在人为的比较理想的环境中，采用一定的仪器和方法，并经过精心的设计、安排而成的。它具有模拟、简化、纯化、强化、综合、抑制或排除某些物理现象的作用，因而可以较为迅速、可靠、经济地认识自然界的物理规律，从而达到推广应用而改造自然的目的。这也是物理实验的价值之一，物理实验是创造物理理论的基础和先导。物理学史以无可辩驳的事实证明，物理学理论的重大发现和突破，都是从实验中发展和提炼出来的。此外，根据已知的事实，经过推理而提出新的观点和设想，也只有通过物理实验的验证才能确定其正确性。二十世纪量子理论的出现就是建立在无数的近代物理实验的基础之上，在某种意义上讲，量子理论是无数近代物理实验论文的归纳结晶，而爱因斯坦的相对论也是经受实验的检验才被物理学家们所接受。2.物理学中的理想实验所谓理想实验，就是并不实际进行实验操作，只是设想一套实验装置，并辅助以一定的假设作为前提和出发点，按照一系列理论进行推演，给出实验过程和状态的逻辑思维想法，采用已被大量事实所检验的物理规律或已被人们所普遍接受的物理理论和结论作为判别的标准，对实验的结论，逻辑性或假设的合理性进行分析，以得到有用的结论。理想实验又叫假想实验、思想实验、思维实验、想象实验或抽象实验，是人们在思想中塑造的理想的实验过程，是物理学中的专利和特有法宝。作为经典力学基础的惯性定律，就是理想实验的一个重要结论。这个结论是不能从实验中直接得出的。1632年伽利略在实验中注意到，当一个球从一个斜面滚下又滚上另一个斜面时，几乎可达到相同的高度。他断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如果能将摩擦完全消除的话，高度就会完全相等。随后，他又假设说，如果第二个斜面的斜度完全消除了，那么球从第一个斜面滚下后，将以恒定的速度在无限长的光滑斜面上永远不停地运动下去。由此而得到的结论，打破了自亚里士多德以来二千多年间关于“受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止”这一类陈旧观念，这只是一个理想实验，因为摩擦是永远无法消除的。后来这个结论被牛顿总结为牛顿第一定律，为近代力学的建立奠定了基础。理想实验既不同于真实的科学实验，又有别于纯粹的理论假说或纯粹的理论推演。首先，真实的实验是方法，是加工手段，理想实验决不能替代它。理想实验中的普遍物理规律正是从大量真实实验中得来的。反过来真实实验也不可缺少理想实验的原理化总结。但在实验手段越来越发达的情况下，原来有些被认为只能作理论分析的理想实验逐渐变成可用真实的实验去逼近或实现。真实实验的精度不断提高，也趋近于理想实验中理想化的要求。二者是融会贯通的，不是割裂的，可依具体问题的需求和分析加以取舍，理想实验往往是真实实验的先驱。真实实验也在追逐理想实验。其次,理想实验中理论假说或理论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。体现在理想实验方面是有两个最为显著的特点：一是理想实验要给出思维构想中的具体实验装置和状态，这种装置可以是模型化的。二是理想实验本身都包含着一个比较判别的特征环节，无论理想实验的运用多么灵活，都不会缺少这样一个至关重要的本质特征成分，如伽利略用不同逻辑演绎得出的悖论作为比较判别。与之相比，理论假说和理论推演则不需要一定给出具体的参考实验状态，重点在于数学推导和逻辑分析，在它本身工作中不需要一定有比较判别，通常是把所得的结论和预言再去和已知的实验结果或未来的实验验证去比较判别。因此二者有所区别。理想实验在物理学起着不可替代的作用。首先，具体的实验会受到具体的实验装置、实验条件的制约，会牵涉到诸多如仪器精密度、误差分析等大量烦琐的因素，而理想实验可以去粗取精排除干扰，高度概括。而且，今天物理学的研究，无论在微观还是在宏观上越来越多地进入了不能完全靠实验证实或证伪的领域。比如，我们不可能在实验室里让物体坍缩到变为黑洞，史蒂芬霍金就是凭借这大量普通的思维假想实验洞悉了宇宙黑洞的奥秘。其次，近代物理实验的花费越来越大，有的周期也很长有些意义不大、可不做的实验从理想实验中分析优化出好的办法和方案；有时候理论的论证用理想实验就可以了，并不需要实际去做。这时，理想实验将起到一种独特的作用。另外，理想实验能力的培养也是一个出色的物理学者提高思维技能、实验能力的必修科目。在物理的教学和学习过程中也是非常重要的一个环节。许多优秀的实验物理学家也都不仅在实际实验本领上独树一帜，而且在理想实验使用中也是独巨匠心。总之，理想实验作为一种抽象思维方法，其精髓在于它是物理思想、数学演绎与一般性实验的巧妙结合，是连接抽象的理论逻辑和具体经验知识的枢纽。但理想实验的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验正确与否的标准。3. “ 理想实验”与物理学的发展“ 理想实验”虽然不是一种真实的实验操作, 但它可作为进一步推进科学研究活动向前发展的手段, 作为创造性思维的重要表现形式, 作为一种重要的理论研究方法,由此而得到的结论却具有重要的意义, “ 理想实验”是在物理学的发展过程中产生的, 又对物理学的形成和发展起到了非常关键和重要的作用3. 1 理想实验在经典物理学建立中的作用经典物理学大都是在实验的基础上建立起来的、经典物理学家做物理实验,通过实验研究物理问题,得出经典物理学的科学结论。其间有一个重要问题,就是难以排除实验误差对物理结论的影响。从误差的产生来看,误差源于实验的条件、实验的仪器装置以及相应人员的操作。针对实验误差产生的机理, 经典物理学家把实验的条件加以理想化, 实验的仪器装置的理想化, 达到不考虑误差的影响。从这个过程来看,它可以看作是一个理想实验。物理实验的科学结论的得出,有理想实验的功劳。在经典物理学的发展,利用理想实验处理实验误差,意大利经典物理家伽利略堪称典范。在伽利略的著作里他本人所描述的全部实验都是理想实验, 所写出的实验数据同理论结论精确地符合。爱因斯坦和英费尔德在物理学的进化论中评论伽俐略的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志物理学的真正开端。理想实验在经典物理的建立中,功不可没。就拿为经典力学作奠基的惯性定律来说,它就是根据理想实验得到的。伽利略在思维中这样设计:把两个斜面对接起来,以静止的小球沿一个斜面滚下来,小球滚上另一个斜面。如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度。减少第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度,但是要通过更长的距离。继续减少第二个斜面的倾角,最后使它成为水平面,小球不可能达到原来的高度,就沿着水平面以恒定的速度持续运动下去。通过这个“理想实验”建立的惯性定律, 不仅彻底地否定古希腊哲学家亚里斯多德根据传统观念提出来的“必须有力作用在物体上,物体才能运动,没有力的作用,物体就要停下来”的错误理论。而且结束维持人们两千多年的对力与物体运动关系的错误认识,使人的认识走向正确的轨道。3. 2 理想实验对现代物理学建立的作用现代物理学是在经典物理的基础上发展起来的, 研究的对象由低速变为高速, 由宏观变为微观,深入到广垠的宇宙深处和物质的内部结构。现化物理学家研究现代物理问题,在研究过程中需要克服较为复杂的次要因素和无关因素,用实验法研究的局限性越来越大,理想实验法研究的优越性越来越明显。理想实验在原有实验事实的基础,以科学理论为指导,能够创造出满足研究物理问题所需要的一切条件。3.3 理想实验对将来物理学发展的作用 现在物理学研究领域表现出一些新的特点。从微观念领域来说,已经深入到原子内部,人们已经发现了大小不断减小,能量不断增加的许多层次原子、原子核、基本粒子、夸克等,已经达到1016米以下的线底。目前还无预见到这个层级链条有没有一个终端。从宏观领域来说,人们的视野已经扩展到半经为150 亿光年的宇宙范围。依次突破了银河系、星团、星系和总星系的领域。物理学的研究方法随之相应发生了新的变化,实验向高、精、尖方向发展,表现为集体化、社会化和国际化。如高能物理实验, 往往要在几千亿电子伏特的能量范围, 上百万美元的费用, 几十个人在几年时间才能完成。为了得到所需要的实验信息,物理学家必须把大部分精力用于开发仪表的技术,实验准备往往比实验本身困难得多,科学实验靠个人的力量是完不成的。另外,物理学研究的内容远离实践经验的范围,理论体系高度抽象化和脱离直觉经验的特征无可避免地日益增加,通常的思维方式和机械论的观点愈来愈无能为力。因而, 借助实验机构的实验事实, 以科学的理论作指导, 通过理想实验研究现在的物理学问题, 充分发挥人的主观能动性, 就可以克服研究中的不利因素, 在物理学研究领域里达到有所突破,推动物理学向前发展。首都师范大学物理系李忠就这样认为,理想实验是现代科学方法的核心之一。物理学要发展, 选择研究方式尤为重要, 理想实验是现代科学研究方法的核心之一, 它在现在及将来的物理学的研究中, 将是一种必然的选择。理想实验对物理学的发展, 亦将发挥更大的作用。4.理想实验与物理教育4.1理想实验对物理教育的促进作用理想实验的设计与完成是人类思维的杰作是科学家在科学实践的基础 对真实实验理性的分析所作出符合科学逻辑的推理是科学家科学智慧的结晶理想实验的方法使人们超越了现实的束缚思维产生了质的飞跃但是在理想实验中实验过程是一个形象直观的感性过程 又有在对真实实验过程进行理性的分析，才能够采用理性的思维与逻辑推理设计理想实验：一是反驳虚假理论的需要(伽利略的“斜面实验”)；二是揭示理论局限性的需要(爱因斯坦用于揭示经典力学局限性所没计的一系列“实验”)：三是阐述抽象科学理论的需要；四是科学理论论证的需要(EPR论证的一系列精彩的“实验”)理想实验具有真实实验所不具备的优势其一理想实验不受时空的限制不受客观条件的制约无需任何经费的投入通过实验者丰富的想象和严密的逻辑思维随时在头脑中进行“实验”及时捕捉“灵感”其二理想实验摆脱了真实实验不确定性的影响在思维中通过对模型(如光 表面、刚体、点电荷、理想气体等等)的“操作”而完成实验它没有误差无需数据处理等其三理想实验是物理专业知识和哲学修养的完美统一。既要精通专业知识又要具备哲学理论才能真正具有进行理想实验的素质理想实验的这些特点决定了它在物理教育中的重要作用4.2理想实验可以培养学生的想象力与锻炼学生的逻辑思维能力理想实验是一种创造性的思维活动其构思过程是想象与逻辑思维相互竹 用的结果是在逻辑的”规范”下头脑中形成有条理的思维图景想象足做出科学创造的前奏任何一新理论的产生新思想的提出都是运用想象来对已有的知识进行合理的猜想与推测的结果缺乏想象纵然有大量的事实却永远徘徊在事实的“海洋”中不能超越现有的事实和理论束缚不能产生创新思想和创新行为因此丰富的想象力和逻辑思维能力是进行理想实验的前提物理学的建立、发展和完善已充分说明了这点物理教学中适时的引入理想实验透彻地分析理想实验的案例(产生的背景、理论依据、说明的问题、“实验的情景”等)，研究物理大师们设计理想实验的逻辑思维方法在头脑中“想象”理想实验的进行过桴可以冲破已有理论对学生思维的影响保持思维的深刻性、灵活性、敏捷性因为理论和(实验)事实本身都是死的材料，想象赋予了它以生命。通过符合逻辑的想象”跳过”思维的某些阶段使学生对物理理论和实际(实验)事实有深刻的理解，从而开拓思路、启迪智慧使其思维处于开放之中4.3 理想实验可以培养学生的创新能力与锻炼学生的怀疑与批判精神理想实验借助于人的思维能动作用而提出的不受具体条件限制的纯粹形态的科学命题它建立在对现有理论和实验的熟练掌握与透彻理解的基础上是人们对现有理论的怀疑、批判和继承反映了人们创新思维的成果因此物理教学中引入理想实验就是通过学习和研究科学家没计理想实验的构思与推理过程在大脑中形成求异的新思路而新思路的形成不是一下子就会在头脑中产生的必须进行学习、研究、思索，必须用怀疑的态度和批判的精神审视现有的理论对现有理论的质疑越多产牛的思索也就越多大脑的信息储备也就越多出现“闪光”点的机会也就越多所以怀疑的态度和批判的精神是创新的源泉不断的学习、思考是创新的举措4.4理想实验可以培养学生的科学抽象能力理想实验是在头脑中通过理性思维对抽象模型进行“操作”完成的这就必须抓住事物相对本质的、主要的因素舍弃非本质的、次要的因素进而更深刻地揭示研究对象的物理实质得出科学的结论这种“抓柱”、“舍弃”就是对实际的抽象，物理学中的抽象分为物理抽象和数学抽象物理抽象指将科学抽象的方法施用于实际，在观察、实验的基础上建立物理概念或理想化模型：数学抽象指对物理抽象后的概念模型或观察所得出的结论进行数学描述形成物理量或形成物理结论的数学表达式教学中通过理想实验阐述构思理想实验的思维特点、科学抽象的方法以及解决问题的途径使学生学会如何去“抓住”与“舍弃”以及进行数学描述(如伽利略的“斜面实验”抓住的是斜面倾角变化而不影响小球的“行为”舍弃是小球与斜面的摩擦数学的描述是小球通过的距离与时间的平方成正比及小球的速度与时间的一次方成正比)从而学会建立模型与对实际事物的抽象4.5 物理教育中运用理想实验促进物理学习理想实验对物理学习具有促进作用开展理想实验是对上述诸能力的综合训练。其一运用物理大师们设计的理想实验，研究与学习大师们的思维方式。通过下列模式引导学生进行分析：发现与提出问题一构想实验方案一逻辑思维与推理一结论例如力学中的斜面实验为研究力和运动的关系一以真实的斜面为依据想象在无摩擦的光滑斜面上运动的光滑小球一在头脑中对斜面进行各种可能情况的操作一运动和力密切相关热学中的“卡诺循环”为研究热机的工作效率一想象理想的高、低温热源以及工作在这两个热源之间的理想气体一头脑中对理想气体进行操作(理想气体绝热和等温过程从高温热源吸热在低温热源放热)一理想气体在卡诺循环中的效率取决于高、低温热源的温度其二在分析物理大师所设计的著名的理想实验的基础上。学习运用理想实验从思想上完成对某个物理理论的验证体会理想实验的构思、推理过程理想实验是在头脑中进行逻辑推理的但还必须运用掌握的知识是进行理论思维抽象出数学表示要运用好理想实验除了进行思维训练外，扎实的物理学知识的储备与数学基础是必不可少的理想实验伴随着物理学的发展丰富着物理学内容的同时，为物理学习提供了良好的材料充分挖掘物理学中的理想实验对训练学生的思维，提高学生的科学素养有很大的促进作用在运用理想实验丰富物理教育内容的同时我们还必须使学生明白物理学中的理想实验并不是检验物理学理论真理性的标准它只是物理学理论研究的一种思维方法，只有在一定的条件下被转化为真实实验之后才能作为检验理论正确与否的标准理想实验在物理学发展中的作用是很大的,被许多物理学家用在物理学的研究之中,并在研究中取得好的研究成果,成功地推动物理学向前发展。但是理想实验也有一定的局限性