理想实验在物理学中的作用

1、理想实验在物理学中的作用山西大同大学题目：理想试验在物理学中的作用院系： 物 电 学 院专业： 物 理 学班级：12级物理三班 学号：120702011315姓名： 李 青 林指导老师：李 萍 完成日期：理想实验在物理学中的作用李青林 摘 要：“理想试验”是物理学中一种重要的研究方法，它 关键词：1. 引言：物理学中常常为了验证一个理论或便于研究，除了建立“理想模型”，还常常应用“理想试验”。 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。理想试验是一种科学的

2、研究方法，对物理学的发展，对新理论的建立，对已有理论的补充和完善起到了重要作用。物理实验论文就是表述这一过程及这一过程的结论。理想实验是人们在以认识的自然规律和科学实验的基础上,运用逻辑推理方法,思维中,把客观的实验条件和研究对象加以理想化和纯化,抽象或塑造出来的理想化过程的“实验”。它属于思想上的实验,不是实际的、真的实验。理想实验完全克服了实际实验的局限性,超越了当时的科学技术和发展水平。用理想实验研究物理学中的问题,在原有物理科学技术和发展水平。用理想实验研究物理学中的问题,在原有物理科学实验事实基础上,以物理科学理论为指导,发挥人的主观能动性,对研究的物理条件和对象加以理想化,完全排除

3、次要因素和无关因素干扰,使研究对象的主要特性及其运动规律充分暴露出来,抓住主要矛盾,发现和认识事物的本质及其规律具有极其特殊的地位和作用。在物理学发展中,理想实验不论对经典物理学的建立,还是对现代物理学的建立都起了重要的作用。2. 理想试验的概念所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法是一种逻辑推理的思维过程，理想实验不是在现实中进行实验，而是在想象中、思维中进行的实验。但是理想实验不是脱离实际的主观随意遐想，而是在真实科学实验的基础上，突破主观因素，忽略次要因素，通过思维中塑造理想过程

4、，运用逻辑推理的思维过程和理论分析的方法，进而揭示物理环境的内在联系。它具有真实实验的一些特点，有不同于实际试验。3理想实验的发展史“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。4理想试验在物理学中的作用4.1物理学中的理想实验4.1.1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

5、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、实验的仪器装臵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,实验的仪器装臵的理想化,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

6、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斜角,小球在这个斜面角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

7、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。4.12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。4.1.3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

8、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

9、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证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4.2理想试验与物理教育4.1充分运用教材提供的理想实验建立新的科学概念理想实验是一种科学思想中形象思维与抽象思维的高度统一，是透过事物表面现象，揭示其本质的过程，因此理想实验在科学发展中有独特的功效

10、，在物理教学中要充分运用理想实验使学生进行思维训练和物理思想的培养，充分强调理想实验的实践性，并突出其思想性。例如“人造地球卫星”一节内容中，有牛顿关于卫星上的理想实验在讲解这一例子时要强调几个问题,牛顿设想的空间是理想化的,高山顶上抛铅球的那个人是理想化的“大力神“轨道随速度改变是逐渐变化的过程。当速度达到某一定值时，此球将沿圆轨道而永远不落。当球由落地的非圆轨道转化成不落地的圆轨迹时，发生了质的飞跃。这一理想实验虽然在牛顿时代无法实现，但现在可实现所以理想实验是在一定的条件下转化成实际实验的。4.2应用理想实验巧妙地发现或呈现物理规律理想实验具有其深刻地思想性，蕴含着与“实际实验”对应地诸

11、多物理规律，有的规律运用数学方法推导不仅繁杂且无必要，理想实验则可解决这些问题。例如，几何光学中关于物体运动速度与像的移动速度关系问题，用数学运算较繁，且不易发现动态规律。例如，一个物体以速度，匀速地在凸透镜的主轴上运动，则它所成的实像的移动速度与物体运动速度之间有何关系。如果我们设想一个理想实验，一个人从无限远处沿主轴向凸透镜匀速走来，开始成像在焦点附近是个“小布点儿”这“小布点儿”逐渐变大。但“小布点儿”的脚步频率与人走动的频率一样。所以在成缩小实像时，像移动的速度始终小于人运动的速度。当成放大的实像时，实像如同巨人一般人和这巨人实像的脚步频率仍然一样。这时像移动的速度大于人运动的速度，由

12、此可知实像移动速度和人运动速度满足为放大率。巧妙设计理想实验还可呈现实验中较难说明的规律或巩固一些物理规律，也可以让学生认识到某些规律的局限性。4.3运用理想实验调节课堂气氛，激发学生学习兴趣巧妙设计理想实验，可以活跃课堂气氛，融洽师生情感，从而激发学生的学习积极性和主动性，情感智商具有很强的可塑性，且情感智商的高低直接关系到学生今后的学习和工作成败。课堂教学中设计一些具有情感色彩的理想实验可有效地调节课堂气氛。现代科技的发展出现了具有还乡色彩的动画片，这对拓宽学生的思维具有极其重要地作用，教师要充分利用这些素材，经科学创新后为课堂教学服务。4.4利用理想实验可以做到出于简单而归于深奥理想实验

13、可以做到出于简单而归于深奥，往往可以使某些难于理解的知识变得易于理解。它不仅可以帮助我们澄清物理学中的错误观念，还可以帮助我们加深对新概念的理解和深化，加强理想实验的教学，可以培养学生丰富的想象力，锻炼学生的创造性思维能力。例如，麦克斯韦妖这一理想实验，它不但以鲜明的图像澄清了热力学第二定律的一些疑团，更重要的是指出了熵与信息之间的联系，成为信息论这门新学科的先导。4.5利用理想实验来培养学生的物理思维能力所谓物理思维，就是物理学中的科学思维，在新一轮基础教育课程改革中，新物理课程标准提到基础教育阶段的物理课程应以提高全体学生的科学素质为主要目标，满足每个学生发展的基本需求，改变学科本位的观念

14、，全面提高公民的科学素质。此外，物理课程的价值体现之一就是通过科学想象与科学推理方法的结合，发展学生的想象力和分析概括能力，使学生养成良好的思维习惯。由此就产生了如何通过实践和教育来培养思维能力的问题,而由于物理思维的特殊性其最佳培养途径是通过物理教学来培养。理想实验作为重要的研究方法。在平时教学中需要教师不断创新。这里创新的含义有两层：首先，是科学史中或课本上存在的理想实验的创造性使用；其次，作为物理教师要大胆创造新的理想实验，使课堂教学的思维更活跃，思维力度更大，效率更高。应该说明的是随着多媒体手段的使用，很多理想实验可以借助三维动画来实现。便在程序设计中必须十分注重理想实验的思想性和科学

15、性，使学生更早的，具有物理头脑，更快地掌握物理科学的思想方法科。4.6理想实验与多媒体技术的结合现代教学离不开现代化的教学手段，90年代蓬勃发展起来的多媒体技术，是将文字、声音、图像、静态及动态图像与计算机集成在一起的技术。美国休斯顿大学和美国国家航空和宇航局约翰逊空间中心的研究人员建立一种称之为“虚拟物理实验室”的系统。使用该系统的学生可以做包括万有引力定律在内的各种实验，利用它可以直接研究重力、惯性这类物理现象，可以控制、观察由于改变重力的大小、方向所产生的种种现象，以及对加速度的影响。从而达到对物理概念和物理定律的深刻理解。利用计算机的虚拟环境和设定的假设前提和条件，我们就可以进行理想实

16、验。而且会更加生动逼真，易于理解和接受。这就是最新出现的度媒体演示实验。实验过程和结果将不受外界化境等因素的影响，实验结果与理论完全切合，实验现象清晰可见。同时我们也应该注意到，多媒体演示实验完全的公式化，理想化，脱离实际，隐藏了一些实际问题，不利于学生发现问题解决问题能力的培养和提高。如何实现多媒体技术与理想实验的完美结合将是未来教育技术的一个重要课题。5理想实验举例：5.1爱因斯坦与理想实验无论是1905年建立狭义相对论，还是1915年建立广义相对论，爱因斯坦在其物理学研究的过程中，都因运用理想实验而显得深刻、严密和精彩。5.1.1“爱因斯坦列车”理想实验19世纪末，物理学获得了一批新的实

17、验事实和理论研究成果。例如迈克尔逊莫雷实验的零结果、洛仑兹对实验的理论解释、彭加勒卓有成效的理论研究，都昭示着一个全新的力学体系将要诞生。并且，他们所得到的一些结论，实际上已经超出了旧理论的框架。然而，他们都未彻底摆脱牛顿力学绝对时空观的束缚，无法从根本上取得理论突破。1905年，年轻的爱因斯坦终于找到了新理论的突破口，即发现相对性原理。爱因斯坦是用一个理想实验来阐述他的发现的。这个理想实验，就是被后人称道的“爱因斯坦列车”：当两道闪电同时下击一条东西方向的铁轨时，对于坐在两道闪电正中间的铁轨旁的第一个观察者来说，两道闪电是同时发生的；但是对于坐在由西向东行驶的列车上正好经过第一个观察者的第二

18、个观察者来说，两道闪电并不是同时下击的，因为第二个观察者正在以一个速度接近东方的闪电而远离西方的闪电，东方的闪电到达他的眼里要比西方的闪电早一点。所以，在第一个静止的观察者看来是同时发生的闪电，运动中的第二观察者却看到东方的闪电先亮而西方的闪电后亮。如果进一步设想火车是以光速前进的，则西方的闪电永远不能追上火车，所以火车上的第二个观察者就只能看到东方的那一道闪电了。由此，我们不能得到这样的结论：在铁轨旁的第一个观察者看来是同时发生的两件事，而在火车上的第二个观察者看来却并不是同时发生的。显然，同时性只能是相对的。事实上，每一个坐标都有它本身的特殊时，脱离参照系而孤立地陈述某一事件的时间是没有意

19、义的。“爱因斯坦列车”理想实验形象而生动地揭示了同时的相对性，从根本上否定了牛顿的绝对时空观。相对性原理是爱因斯坦建立狭义相对论的基本出发点。5.1.2“爱因斯坦电梯”理想实验狭义相对论建立以后，爱因斯坦并没有止步。他认为狭义相对论还有许多问题没有解决。例如：为什么惯性坐标系在物理学中比他坐标系更优越？为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到矛盾？爱因斯坦感到极大的困惑。但他坚信自然界的和谐与统一，认为要么对惯性坐标系为什么特别优越作出解释，要么放弃惯性坐标系的优越地位。爱因斯坦考虑应该把相对性原理推广到任

20、意参照系中，建立更为普遍的物理理论。他后来写到：“物理学的定律必须具有这样的性质，它们对于以无论哪种方式运动着的参照系都是成立的。沿着这条道路，我们就达到了相对合理的扩充。”“普遍的自然规律是由那些对于一切坐标系都有效的方程来表示的。”那么，推广应该从哪里入手呢？首先要解决的问题是什么呢？我们知道，只有当系统不受外力或外力为零时才能作为惯性参考系。地球上的物体要受到地球的引力；地球处于太阳系中，要受到银河系各星体的引力自然界各物体之间普遍存在的引力，说明要把相对论原理推广到任意参照系，引力是不可回避的问题，首先必须研究引力。问题的决定性突破，是由一个天才的理想实验取得的。用爱因斯坦1922年回

21、忆创建广义相对论过程的话说：“有一天，突破口突然找到了。当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果人正在自由下落，他决不会感到他有重量。我吃了一惊，这个简单的理想实验给我的印象太深刻了，它把我引向引力理论。我继续想下去：下落的人正在做加速运动，可是在这个加速参照系中，他有什么感觉？他如何判断面前所发生的事情？”这就是被物理学家称为“爱因斯坦电梯”的理想实验。下面我们具体看一下这个理想实验：爱因斯坦假设，理想电梯中装有各种实验用具，并且有一位实验物理学家在里面安心地进行各种测量。当电梯相对于地球静止的时候，电梯里的实验物理学家将测出电梯里的一切物体都受到一种力。若没有其他的

22、力与这种力相平衡，这种力就会使物体落向电梯的地板，并且所有物体下落时的加速度是相同的。由此，实验物理学家能够得出结论：他所在的这个电梯受到外界的引力作用。如果让电梯本身做自由下落的运动，实验物理学家将会发现，电梯里的一切物体都不再受到原来那种力的作用，物体的加速度没有了，电梯里的一切都不再表现出任何受引力的迹象。苹果和羽毛皆可以自由地停留在空间，实验物理学家可以在电梯底部行走，也可以在电梯顶部或侧壁行走，各种行走所需的力气完全相同。此时，实验物理学家通过观测任何物体的任何力学现象都不能获得任何引力存在的迹象。爱因斯坦进一步指出，在理想电梯中，那位实验物理学家不仅通过力学现象得不到引力存在的迹象

23、，而且通过其他任何物理实验都不能得到引力存在的迹象。这就是说，在这个理想电梯的参照系中，引力被完全消除了。电梯中的实验物理学家既不可能通过物理现象来判断电梯外面是否存在一个地球这样的引力作用源，也不能测量出自己的电梯是否在做加速运动。这就像伽利略设计的萨尔维阿蒂大船，船里的观察者无法通过物理现象判断大船是否运动一样。通过电梯的理想实验，爱因斯坦发现了引力的最重要的特性：可以在任何一个局部范围内找到一个参照系，使其中的引力作用被全部消除。引力的这一特性是物理学中其他力都没有的。因为电磁力、粒子间的强相互作用力和弱相互作用力，都是不可能用选择适当参照系的方法完全消除的。“爱因斯坦电梯”理想实验抽象出广义相对论的一个重要