1、13届分类号G30单位代码10452毕业论文（设计）对理想实验及其功能的探究姓名学号200901020137年级2009专业物理学系（院）理学院指导教师2013年4月10日临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）摘要理想实验是一种重要的科学研究方法,从物理学发展的历史看理想实验是物理学理论的基础,也是物理学发展的基本动力,特别是理想实验能澄清物理学中的错误观念,它是建立新概念、探索新理论的有效方法,在物理学的发展中起到了不可替代的作用本文通过研究理想实验在物理学发展中的作用和功能以及解读一些著名的理想实验实例,既有利于读者清晰的认识、理解和掌握理想实验,并将其自觉地运用在对物理学的研究中,
2、导出一些科学的结论又有利于读者在物理教学中很好地把理想实验方法传给学生,并用理想实验的思维和方法培养学生逻辑推理能力和抽象思维等重要思想方法,更重要的是让学生掌握这种物理思想并且能自觉的运用到物理的学习和研究中关键词理想实验物理学发展物理学教学临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）ABSTRACTIDEALEXPERIMENTISANIMPORTANTSCIENTIFICRESEARCH,FROMTHEHISTORYOFTHEDEVELOPMENTOFPHYSICSIDEALEXPERIMENTISTHEBASISOFTHETHEORYOFPHYSICS,BUTALSOAFUNDAMEN
3、TALDRIVINGFORCEOFTHEDEVELOPMENTOFPHYSICS,ESPECIALLYIDEALEXPERIMENTTOCLARIFYMISCONCEPTIONSINPHYSICS,ITISCREATEANEWCONCEPTOFANEFFECTIVEWAYTOEXPLOREANEWTHEORYHASPLAYEDANIRREPLACEABLEROLEINTHEDEVELOPMENTOFPHYSICSIDEALEXPERIMENTBYSTUDYINGTHEROLEANDFUNCTIONINTHEDEVELOPMENTOFPHYSICSANDTHEINTERPRETATIONOFSO
4、MEOFTHEFAMOUSTHOUGHTEXPERIMENTINSTANCE,NOTONLYHELPTHEREADERACLEARUNDERSTANDINGOF,UNDERSTANDANDMASTERTHEIDEALEXPERIMENT,ANDCONSCIOUSLYAPPLIEDINTHESTUDYOFPHYSICSEXPORTSOMESCIENTIFICCONCLUSIONSALSOBENEFICIALTOTHEREADERINPHYSICSTEACHINGTHEIDEALEXPERIMENTALMETHODSTOSTUDENTSANDIDEALEXPERIMENTALTHINKINGAND
5、METHODSTODEVELOPSTUDENTSLOGICALREASONINGSKILLSANDABSTRACTTHINKINGWAYOFTHINKING,MOREIMPORTANTLY,TOEQUIPSTUDENTSWITHTHEIDEAOFTHISPHYSICALANDCONSCIOUSLYAPPLIEDTOTHESTUDYANDRESEARCHOFTHEPHYSICALKEYWORDSIDEALEXPERIMENTALTHEDEVELOPMENTOFPHYSICSPHYSICSTEACHING临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）目录1引言12理想实验的理论121什么是理想实验1
6、22理想实验的发展史223理想实验与科学实验的区别224理想实验的作用机制和特点33理想实验物理学研究中的重要作用431理想实验可以用来推翻旧的不合理的理论432理想实验对重大理论的产生及新旧理论的更替起重大作用44物理学发展过程中理想实验的几个光辉典范441伽利略落体实验542伽利略理想斜面实验543麦克斯韦妖55物理教学中理想实验的作用66通过了解和探究理想实验所带给我们的启迪77结论9参考文献10致谢12临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）11引言著名的美籍华裔科学家、诺贝尔物理奖获得者丁肇中先生认为,“物理学是从实验产生的,”这话道出了实验与物理学之间的至密关系1我们知道,在物
7、理学中的许多重大发现和重要理论的提出,都是以实验为基础的这一个个浸透着大师们的思维和心血的实验,在不间断地验证着他们的发现和提出理论的真实与准确也正是这些新的发现和新的理论在指引着大师们进入一个更高层的实验这个从实验到理论,从理论到实验的螺旋式过程,显然是一个无穷无尽、不会终结的过程,而这个过程也正构成了物理学的全部在这个过程中,理想实验是不可或缺的而理想实验是人们在以认识的自然规律和科学试验基础上,运用逻辑推方法,在思维中,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”它属于理想上的的实验,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
8、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以及原有物理科学试验事实基础上,以物理学理论为指导,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,完全排除次要因素和无关因素干扰,使研究对象的主要特性及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来重要的作用科学史上许多伟大的科学理论的建立都与理想（思想）实验和理想模型有关建立这些理论的科学家都是一代巨人,他们所取得的科学成就无疑是划时代的,但从科学哲学的角度来看,更重要的是他们取得成就的过程中
9、所用的思维方法因为在一般情况下,结论总不免受到时代条件的局限,但正确的方法却能给人们提供独立探索的合理途径正如恩格斯所说在一切哲学家那里,体系都是暂时的东西,但包括在体系中的真正有价值的方法都可以长久地启人心智发人深思思维方法又是一切方法手段的灵魂本文试图通过展示一些经典的理想实验和创立理想模型的过程来揭示他们所用的思维方法理想化思维方法,以期为科技工作者提供一种探索问题的方法,并且在了解理想实验的基础之上对从事教育教学的工作者一定的启发2理想实验的理论21什么是理想实验理想实验并没有一个公认的定义,我认为,理想实验是科学工作者源于自身的经验而又超出自身的经验的一种高级思维活动,所谓的理想实验
10、它实际上并不是我们物理学界常规意义上的那种实验,而是一种思维方式,是物理学家们按照一定的物理模型而展开的思维辨析和推理总结的过程,这个过程也可以说是在整个物理思维范畴内的一种临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）2特殊的逻辑思维的形式它直接为我们探索新的物理课题,或对原有的理论命题提出质疑,提供了一个既便捷可行而又具有客观实效的载体,它的方法在本质上属于科学方法论中的理想化方法2说具体些,就是用理想模型和理想化的仪器、设备,在理想化的条件下,设想出理想化的过程,并根据已有的理论规范和经验,通过逻辑推理得出某种结论的方法是一种高度抽象的纯粹思维活动22理想实验的发展史EINSTEIN于19
11、22年12月14日在日本京都大学作了一次即席讲演,题目是“我是怎样创立相I对论的”首次明确地提出了“理想实验”的概念但是,理想实验的方法并不始于1922年在自然科学的创立和发展中,很多自然科学家都自觉或不自觉地运用了理想实验,使之在很多重要问题上起过很好的作用早在中国古代的名著庄子天下篇中,便写有“一尺之捶,日取其半,万世不竭”巧妙地用理想实验的方法论证了物质的无限可分的观点到了15世纪下半叶,近代自然科学诞生后,理想实验在自然科学中的应用更为广泛,在物理学上尤为突出,可以说在物理学发展史上,无时无处不存在着理想实验的倩影从经典物理学的莫基人GALILEI和NEWTON始,一直到20世纪初,理
12、想实验又成了EINSTEIN建立狭义相对论和广义相对论的重要武器之一23理想实验与科学实验的区别所谓理想实验就是以真实试验为基础,突出主要因素,排除次要因素在理想中塑造理想过程,进而运用逻辑推理的思维过程和理性分析,以揭示物理世界内在联系的方法他又叫假象实验、理想实验、思维实验、臆想实验或抽象实验,是人们在思想中塑造的理想的实验过程3他并不要求进行实际实验操作,可以只是设计一套实验装置,辅助一定的假设作为前提和出发点,按照一系列理论进行实验,给出实验过程和状态的逻辑思维想法,便可以得出有用的结论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但在实验手段越来越来发达的情况
13、下,原来有些被认为只能作为理论分析的理想实验逐渐变成可用真实实验去逼近或实现真实实验的精度不断提高,也趋紧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,可依据具体问题的需要和分析加以取舍,理想实验往往是真实实验的先驱,真实试验也是在追逐理想实验理想实验在物理学中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,会涉及到诸多如仪器精密度、误差分析等大量繁琐的因素,而理论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,无论在微观上还是在宏观上越来越多的进入了不能完全依靠实验证明或证伪的领域比如,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着大量
14、的思维假设实验洞悉了宇宙的奥秘其次,近代物理实验的花费越来越大,有的周期很长,有些意义也不大、可不做临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）3的实验从理想实验中分析优化出最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24理想实验的作用机制和特点理想实验遭作为一中科学认识方法,在物理学发展过程中起着极其重要的作用为什么理想实验能在科学上发挥如此大的作用呢这需要从理想实验的作用机制和特点方面来看物理学中的理想实验形形色色、五花八门,但它们一般是实际实验在理想中的显现其操作过程都是“首先在思维中构建出某种高度理想化的系统,然后根据已有的科学
15、原理和日常经验,将系统的行为过程一个环节一个环节的想象出来,直至得到需要的结论”因此这种以客观经验和科学原理为基础,以形象思维和逻辑分析为手段的实验既不同于实验室实验,也不同于纯粹的逻辑分析,而是科学实验的一种特殊形式这种特殊操作机制决定了思想实验不仅具有实践品格,而且还具有一般实验室实验不可替代的特殊品格首先,思想实验具有实践本质,这是它作为一种特殊科学实验的基础,也是它与一般逻辑推理最本质的区别这种实践本性表现在思想实验与实验室实验一样同属实验范畴,都是一种变革研究对象的特殊实践活动,其目的在于帮助科学家理解自然,得到不同于已有理论的新理论,而绝不是简单地以揭示逻辑矛盾和澄清思想混乱为目的
16、这是其一其二,思想实验的操作前提是从实践或日常经验总结出来的,有着“同自然界实际相关的经验条件,力求近似与或者干脆就是自然实际存在的情况”爱因斯坦用以确立同时性相对性的理想火车实验的基础就是来源于迈克尔莫雷实验（光速不变）和双星现象（光速和光源运动无关）等基本实验这说明理想实验虽然是一个逻辑过程,但决是简单的虚构,而是有着实实在在的物理依据,其三,具有和实验室实验同样的要素,即实验者,实验工具和实验对象虽然这三种实验要素存在于理相中,但可明显的察觉它们的存在物质内容其次,理想实验具有假想性从思维机制角度看,理想实验是一个抽象思维和形象思维共同作用的过程一方面把一些观念或想法感性化,赋予实验的操
17、作性程序和实验要素以清晰可感的物质内容或生动形象另一方面,使实际实验情况高度抽象化、理想化这就使得理想实验即可同现实的科学实验具有一定的相似性,又不是现实的实验,而是一切都带有假想特征假想实验者使用理想化的仪器设备,在极端理想化的条件下对实验对象进行操作和考察,获得意想不到的结果“科学实验本来的目的是要把各种偶然的、相对次要的因素加以排除,使得所考察的现象在人工控制条件下得到纯化理想实验在这方面比实际实验有过之而无不及,因为它不收任何实际条件的限制”理想实验之所以不受任何实际条件的限制正式它具有假象特征的结果4每当物理学出现危机时,凭临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）4借物质手段总是
18、难以解决问题但是理想实验则以其假象之便超越当时的技术限制,试验环境的约束,站在物理学革命最先列,起到了实际实验暂时起不到的重要作用最后,理想实验具有逻辑分析特征从一定角度看,理想实验也是一个逻辑思维的过程它的操作主要依靠逻辑推演,从假象提前出发一步步地推导出“实验的结果”3理想实验物理学研究中的重要作用由于理想实验能在探索性的科学研究中,出奇制胜,独辟蹊径,它克服了客观上无法摆脱的物质条件的限制,具有物质实验不可比拟的简化和纯化作用,能在物质实验不可企及的范围内把客观规律揭示出来,因此,理想实验在建立和发展物理学理论中起着重大的作用31理想实验可以用来推翻旧的不合理的理论亚里斯多德ARISTO
19、TELES这位古希腊的哲学家,建筑在日常观察与哲学推测上的错误观点“重物自由下落较轻物快”,曾经迷惑了人们的认识上千年这一说法却被意大利物理学家伽利略AALILEI的一个巧妙的理想实验所否定,并且令人欣然接受伽利略的新见解,反映在他的两门新科学的对话中5先设想一重物和一轻物同时下落,按亚氏的理论,重物比轻物落得快,再设想,把它们拴在一起后下落,这将使重物减速、轻物加速,于是联合体将以中等速度落地,然而从另一方面看,联合体双比重物和轻物都重,其下落速度又应比重物和轻物都大,前后矛盾,说明亚里斯多德的理论是不对的类似可证明“轻物比重物落得快”这个命题也是错误的因此,只有一种选择,重物和轻物下落得一
20、样快至于比萨斜塔实验,据科学史家考证,并无充分的证据32理想实验对重大理论的产生及新旧理论的更替起重大作用在力学方面,ARISTOTELES关于物体运动速度决定于外力的论断,曾长期束缚若人们的认识,GALILEI巧妙地使用T一个理想实验,推翻了这个论断让一个小球从某一个料面滚下,然后再滚到相对的另一个斜面上去,发现若料面很光滑,则小球上升的高度几乎与下滚时的高度相等,假设后一斜面倾料度逐渐减小,为了达到相同的高度,则在它上面小球运动的距离也越长,倘若斜面变为水平面,并且完全消除了摩擦力,可以想象,小球达不到相同的高度,将沿水平面一直运动下去,而不需外力去维持这种运动,此结论在隔了一代以后由NE
21、WTON写成惯性定律,即牛顿第一定律6爱因斯坦高度评价了GALILEI的惯性理想实验“GALILEI的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端理想实验在电磁学与相对论中的作用,这里就不详细介绍4物理学发展过程中理想实验的几个光辉典范临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）541伽利略落体实验首先容易想到的是伽利略对落体问题的研究在伽利略之前,人们都觉得亚里士多德的“体积相同的两个物体,重的物体下落得快”的观点是对的在这之后的两千多年里几乎无人反对这个观点,首先对此观点进行发难的是有着人类历史上伟大头脑的智者伽利略伽利略运用巧妙的逻辑推理轻易的
22、推翻了亚氏的论点伽利略论证说如果亚氏所言正确,即重的物体比轻的物体下落得快,那么把重的物体与轻的物体拴在一起下落,将会有什么样的结果按亚氏所言重物下落快,轻物下落慢,由于两物拴在一起,快物被慢物所拖,慢物被快物所拉,两物拴在一起的下落速度比快物慢,比慢物快但同样按亚氏所言,两物拴一起,应比原物都重,则应下落的更快亚氏之悖论则不攻自破42伽利略理想斜面实验1632年伽利略在实验中注意到,当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时,球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等伽俐略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的,如能将摩擦完全消除的话,高度将恰好相等他又推想
23、,在完全没有摩擦的情况下,不管第二个斜面的倾斜度多么小,球在第二个斜面上总要达到相同的高度最后,如果第二个斜面倾斜度完全消除了,那么球从第一个斜面上滚下来之后,将以恒定的速度在无限长的平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”的这一错误观念7这只是一个理想实验,所得结论是不能直接从实验中得出的,因为摩擦是永远无法消除的这个理想实验被称为“惯性原理”,有些科学史学家便直接称之为惯性定律,后来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而牛顿第一运动定律本身即为理想实验的光辉典范43麦克斯韦妖麦克斯韦曾提出关
24、于热力学第二定律的著名理想实验如下左、右两容器内盛有相同温度的气体,两容器由隔板隔开,隔板上有小孔,小孔上有可以自由开关的、无摩擦的小门,小门由能够识别并控制单个分子运动的“精灵”把守“精灵”只允许快速运动的分子从左到右,慢速运动的分子从右到左于是在精灵的控制下,完成了分子动能从左到右的有效转移,形成了温差,建立了秩序,实现了炳的自发减小,从而推翻了热力学第二定律15后人把麦克斯韦提出的这种精灵戏称为麦克斯韦妖麦克斯韦妖是否存在,如果存在,则热力学第二定律是否应修正或甚至被推翻,这是需要认真回答的问题直到本世纪5年代,布里渊应用信息嫡概念才弄清楚麦克斯韦妖并不违背热力学第二定律显然,小妖要完成
25、分子动能的有一效转移,必须获得分子分辨其速度这样就会引起炳的增加,且增加的嫡足以抵消小妖所减小的嫡换言之,把小妖、气体、光源看作整体,其炳临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）6总是增加的,仍遵循热力学第二定律其实,麦克斯韦妖不过是一个开放系统,靠外界输入能童或信息,生物化学中的酶就是小妖的实例5物理教学中理想实验的作用物理教学不仅要传授知识,更重要的是指导学生学会思考,爱因斯坦有句名言“对真理的探求比对真理的占有更可贵”16理想实验作为一种很重要的逻辑思维方式,应在教学中加以运用,这对学生理解新的知识,提高思维能力,掌握科学研究方法,又有重要的帮助作用（1）充分运用教材提供的理想实验建
26、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,在物理教学中要充分运用理想实验使学生进行思维训练核物理思想的培养,充分强调理想实验的实践性,并突出其思维性例如“人造地球卫星”一节内容中,有牛顿关于“卫星上天”的理想实验在讲解这一例子时要强调几个问题1、牛顿设想的空间是理想化的2、高山顶抛铅球的那个人是理想化的“大力神”3、轨道随速度改变是逐渐变化的过程4、当速度达到某一定值时,此球将沿圆轨道而永不坠落5、当球由非圆轨道转化城圆轨道时,发生了质的变化,这一理想实验虽然在牛顿时代无法实现,但现在可以实现,所
27、以理想实验是在一定条件下转化成实际实验的14（2）应用理想实验巧妙的发现或呈现物理规律理想实验具有其深刻的思想性,蕴含着与“实际实验”对应的诸多物理规律,有的规律运用数学方法推导不仅繁杂且无必要,理想实验则可以很好的解决这些问题例如,几何光学中关于物体运动速度与像的移动速度关系问题,应用数学运算比较繁琐,且不易发现运动规律例如一个物体以速度V匀速的在凸透镜的主轴上运动,则它所成的实像的移动速度V与物体运动速度V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“小不点”,这个“小不点”逐渐变大,但“小不点”的脚步频率与人走动的频率是一样的,所以在
28、成缩小实像时,像移动的速度始终小于人的运动速度当成放大的实像时,实像如同巨人一般,人和这巨人的脚步频率仍然一样,这时像移动的速度大于人移动的速度13由此可知实像移动速度和人的移动速度满足VMVM为放大频率巧妙设计理想实验还可以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3运用理想实验调节课堂气氛,激发学生的学习兴趣巧妙设计理想实验,可以活跃课堂气氛,融洽师生感情,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临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）7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
29、以有效的调节课堂气氛现代科技的发展出现了具有幻想色彩的动画片这对拓展学生的思维具有极其重要的作用,作为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利用理想实验可以做到出于简单而归于深奥理想实验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,它不但鲜明的澄清了热力学第二定律的一些疑团,跟重要的是指出了熵与信息之间的关系,成为信息论这门学科的先导5利用物理实验来培养学生的物理思维能力所谓物理思维
30、,就是物理学中的科学思维在新的一轮基础教育课程改革中,新的物理课程标准提到了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要求,改变学科本位的观点,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相结合,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12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,其最佳培养途径就是通过物理教学来培养6通过了解和探究理想实验所带给我们的启迪1科学观察是理想实验的根本我们知道,理想实验是物理学大师们孜孜不地地追寻事物的本源,揭示事物在发展与变化中的外部形
31、态及其联系的结晶在这一追寻与揭示的过程中对事物的观察是至关重要的因为观察会影响到通过观察所得出的结论是否正确在观察的过程中,人的主观因素往往能够让观察者忽略观察对象的本质这种情形,对于科学家来说也不会例外伟大的物理学家牛顿为了建立自己的力学体系,引入了绝对时空观,即绝对时间和绝对空间的认识理念为了证明“绝对运动”,牛顿设想了著名的“水桶实验”,用这个理想实验来论证“绝对运动”概念的合理性11用一个建立在机械自然观基础上的理想实验当然是错误的了牛顿的错误就在于他失之于科学的观察,也就是说牛顿在“水桶实验”中的观察,并未探究这一现象的本质,就像奥地利物理学家马赫批判的那样“能把水桶固定,让众恒星旋
32、转,再来证明离心力不存在吗”“这样的实验是不可能的,这种想法是没有意义的”反之,近代物理学之父伽利略在认真总结了前人对亚里士多德“落体理论”怀疑的基础上,设计了著名的“落体佯谬”的理想实验,从而使物理学界对“落体理论”的研究重又回到了符合客观存在的真实轨迹上来8究其原委,伽利略在设计这个理想实临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）8验的时候,就有着极为科学精密的观察由此可见,所有真正意义上的,符合事物发展客观规律的理想实验,都离不开科学的观察因此,我们认为,科学的观察是理想实验的根本,而只有科学的观察,才有可能探究出构成人类世界一切事物的真实本质同时,必须指出,物理学子们在从事物理学研究
33、专指观察的过程中,必须确立辩证唯物主义的世界观,这个世界观的问题,绝不仅仅是一个哲学问题,它将直接关系到人们如何通过观察去认识事物、认识世界所谓科学的观察,实际上是一种用辩证唯物主义的观点和方法的观察在观察过程中,我们应杜绝两种错误倾向一、盲目用现有的定律、定理框束自己,使自己在有所发现的时候不敢有所作为二、一味地追求“标新立异”而失之严谨,凭自己的主观意愿,得出想当然的观察结论最后,科学的观察不仅要用唯物主义的世界观去完成对事物的观察,而且不能离开科学的思维辨析否则,它便失去了观察在理想实验中所必须具备的全部科学内涵,自然地就失去了科学观察的意义和作用2思维辨析是理想实验的基础为证明同时性的
34、相对性,现代物理学奠基人爱因斯坦设计了著名的“火车”理想实验他就是用这列理想化了的“火车”,为我们证明了事件的同时性因参照系的差异而差异,这也就是“同时”的相对性这列飞驰的“火车”同样是一个在理想状态下的思考过程无庸置疑,思维辨析是构成理想实验的基础,这显然是由理想实验的属性而决定了的现在的问题是要搞清楚思维辨析的内涵爱因斯坦在自述中说,“像我这种类型的人,一生中主要的东西,正是在于他想的是什么和他怎样想的,而不在于他所做的或者所经受的是什么”10这种极富哲理、内涵精深的著名论述,我们完全把它作为思辨析的科学诠释所谓“思维”,就是“想什么”,而“辨析”则是“怎样想”爱因斯坦是这样说的,也是这样
35、做的他从小就把解开宇宙“伟大而永恒的谜”、“从思想上掌握这个在个人以外的世界”、“作为一个最高目标”,在他睿智的大脑中确立下来因此,他在16岁读中学时就能想到“追光”的假想实验也就不足为奇了这个“追光”假想实验,被物理学界称之为与狭义相对论有关的“第一个朴素的理想实验”从“追光”假想到“火车”理想实验,对爱因斯坦来说,无疑是一个不间断的思维辨析的过程,因为人“一生中主要的东西”是“想什么”,和“怎样想”是他的人生信条可见思辨析不仅仅是理想实验的基础,它更应该是从事物理学学者与研究者的基础3创新精神是理想实验的精髓纵观一个个理想实验案例,无不浸透着大师们独特的创新精神,如果没有了创新精神,也就没
36、有了理想实验这种创新精神用爱因斯坦的话来说,就是“提出一个问题往往比解决一个问题更重要,因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已,而提出新的问题,新的可能性,从新的角度去看问题,都需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步”爱氏的这段至理名言,不仅为我们揭示出了理想实验的精髓所在,临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）9更为我们深刻地指出了理想实验在整个物理学发展过程中的重要作用我们之所以这样说是因为,理想实验的本身是为了解决新问题而设计出来的实验方案在这个实验方案中,关键是设计出实验所需要的理想化了的条件,并在这个理想条件下去演绎实验,以便验证或解决所提出来的新问题那
37、么,如何设计出实验所需要的理想化了的条件呢牛顿在论微粒一书中说过的话,“同时考虑所有这些运动的起因,是整个人类智力所不能胜任的”,所以他提出“寻求事物的原因,不得超过真实和足以解释其现象者,”这就是简单化法则12我们运用牛顿的话来说,便是“自然界喜欢简单”看来,我们完全可以把牛顿的简单化法则运用到理想实验的条件设置当中,从而使我们设置的条件更加理想、更为简单,当然也就更有利于实验的演绎这种简单化的法则,其实就是要我们了解并掌握“实际”,而又善于脱离“实际”的方法与途径在学习并掌握这一简单化法则的时候,要求我们必须以事实为依据,认真对研究问题的精确度予以一丝不苟的关注,通过分析、综合、比较等通常
38、运用的物理思维过程,抓住这一过程中的主要矛盾,合理而又果敢地舍弃一些次要的矛盾,从而提炼出更为本质而又较简单的实验条件,并在此基础上完成切合实际、有助于“新”问题解决的实验方案实际上,这一实验条件简单化的过程就是一个完整的创新过程,它自然也是一种创新精神的体现综上所述,我们有理由认为,理想实验给我们最深刻最本质的启迪就在于确立唯物主义的世界观,确立科学的创新精神,对于从事物理学学习和研究的人来说,就更是如此这是因为,只有确立了唯物主义的世界观,创新才能够有实际的价值,而只有那些有价值的创新,才能使世界发展,才能使人类进步7结论总之,理想实验作为一种重要的科学研究方法,其精髓在于它是物理思想、数
39、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它对物理学的革命性发展,对物理学新理论的建立、对已有理论的补充和完善、对物理教育教学都起到了重要作用,物理学中应重视对“理想实验”的研究和应用临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）10参考文献1蒋琳峰浅谈理想化方法在物理学研究中的重要性J科技信息,2010,162王德安大学物理实验与学生能力培养的探讨J科技信息,2010,313肖卫红浅谈物理实验在教学中的作用J企业家天地理论版,2010,044物理实验杂志稿约J物理实验,2010,085物理实验杂志稿约J物理实验,2010,016林蕴华培养学生物理想象能力的探讨J宁德
40、师专学报自然科学版,2010,017赵锐理想实验在物理学中的作用J科技信息,2008,（30）8孙海梅张国文物理学发展中的理想实验J长治学院学报,2006,（05）9刘远全物理学中的理想化方法J科技咨询导报,2007,（19）10江涛浅谈物理学中“理想实验”的作用J科技信息（科学教研）,2008,（17）11陈明胜理想实验及其在物理学发展中的巨大作用J黄冈师范学院学报,2008,S112马书民吴兴龙物理学史上的著名理想实验J物理通报,2013,（1）13张京生谢星海“理想实验”与物理学的发展J自然杂志,2000,（4）14NINAROBINRELATIONALEDUCATIONALRESEAR
41、CHANDTHESCIENCEOFEDUCATIONMLONDONTHEMITPRESS,199515THOMASRBLAKESLEETHERIGHTBRAINANEWUNDERSTANDINGOFTHEUNCONSCIOUSMINDANDITSCREATIVEPOWERSMGREATBRITAINTHEMACMILLANPRESSLTD,198016FRANCISCRICKTHEASTONISHINGHYPOTHESISTHESCIENTIFICSEARCHFORTHESOULMNEWYORKMACMILLANPUBLISHINGCOMPANY,1994临沂大学理学院2013届本科毕业论文（
42、设计）11致谢本学位论文是在我的导师老师的亲切关怀和悉心指导下完成的他严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我徐老师不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀,在此谨向徐老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至本文的顺利完成在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意最后,再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢2013年4月10日临沂大学理学院2013届本科毕业论文（设计）12
