理想實驗在物理學中的作用

1、理想實驗在物理學中的作用山西大同大學題目：理想試驗在物理學中的作用院系： 物 電 學 院專業(yè)： 物 理 學班級：12級物理三班 學號：120702011315姓名： 李 青 林指導老師：李 萍 完成日期：理想實驗在物理學中的作用李青林 摘 要：“理想試驗”是物理學中一種重要的研究方法，它 關鍵詞：1. 引言：物理學中常常為了驗證一個理論或便于研究，除了建立“理想模型”，還常常應用“理想試驗”。 物理實驗的構成要素也同其它自然科學實驗一樣，是實驗者、實驗對象和實驗手段三者組成。物理實驗的過程，就是實驗者通過自己有目的活動，借助實驗手段，觀察和研究實驗對象,演繹客觀變化的過程。理想試驗是一種科學的

2、研究方法，對物理學的發(fā)展，對新理論的建立，對已有理論的補充和完善起到了重要作用。物理實驗論文就是表述這一過程及這一過程的結論。理想實驗是人們在以認識的自然規(guī)律和科學實驗的基礎上,運用邏輯推理方法,思維中,把客觀的實驗條件和研究對象加以理想化和純化,抽象或塑造出來的理想化過程的“實驗”。它屬于思想上的實驗,不是實際的、真的實驗。理想實驗完全克服了實際實驗的局限性,超越了當時的科學技術和發(fā)展水平。用理想實驗研究物理學中的問題,在原有物理科學技術和發(fā)展水平。用理想實驗研究物理學中的問題,在原有物理科學實驗事實基礎上,以物理科學理論為指導,發(fā)揮人的主觀能動性,對研究的物理條件和對象加以理想化,完全排除

3、次要因素和無關因素干擾,使研究對象的主要特性及其運動規(guī)律充分暴露出來,抓住主要矛盾,發(fā)現和認識事物的本質及其規(guī)律具有極其特殊的地位和作用。在物理學發(fā)展中,理想實驗不論對經典物理學的建立,還是對現代物理學的建立都起了重要的作用。2. 理想試驗的概念所謂“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是一種邏輯推理的思維過程，理想實驗不是在現實中進行實驗，而是在想象中、思維中進行的實驗。但是理想實驗不是脫離實際的主觀隨意遐想，而是在真實科學實驗的基礎上，突破主觀因素，忽略次要因素，通過思維中塑造理想過程

4、，運用邏輯推理的思維過程和理論分析的方法，進而揭示物理環(huán)境的內在聯系。它具有真實實驗的一些特點，有不同于實際試驗。3理想實驗的發(fā)展史“理想實驗”雖然不是一種真實的實驗操作,但它可作為進一步推進科學研究活動向前發(fā)展的手段,作為創(chuàng)造性思維的重要表現形式,作為一種重要的理論研究方法,由此而得到的結論卻具有重要的意義,“理想實驗”是在物理學的發(fā)展過程中產生的,又對物理學的形成 和發(fā)展起到了非常關鍵和重要的作用。4理想試驗在物理學中的作用4.1物理學中的理想實驗4.1.1理想實驗在經典物理學建立中的作用 經典物理學大都是在實驗的基礎上建立起來的、經典物理學家做物理實驗,通過實驗研究物理問題,得出經典物理

5、學的科學結論。其間有一個重要問題,就是難以排除實驗誤差對物理結論的影響。從誤差的產生來看,誤差源于實驗的條件、實驗的儀器裝臵以及相應人員的操作。針對實驗誤差產生的機理,經典物理學家把實驗的條件加以理想化,實驗的儀器裝臵的理想化,達到不考慮誤差的影響。從這個過程來看,它可以看作是一個理想實驗。物理實驗的科學結論的得出,有理想實驗的功勞。在經典物理學的發(fā)展,利用理想實驗處理實驗誤差,意大利經典物理家伽利略堪稱典范。在伽利略的著作里他本人所描述的全部實驗都是理想實驗,所寫出的實驗數據同理論結論精確地符合。愛因斯坦和英費爾德在物理學的進化論中評論伽俐略的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標志

6、物理學的真正開端。 理想實驗在經典物理的建立中,功不可沒。就拿為經典力學作奠基的慣性定律來說,它就是根據理想實驗得到的。伽利略在思維中這樣設計:把兩個斜面對接起來，以靜止的小球沿一個斜面滾下來,小球滾上另一個斜面。如果沒有摩擦,小球將上升到原來的高度。減少第二個斜面的傾斜角,小球在這個斜面角仍然要達到原來的高度,但是要通過更長的距離。繼續(xù)減少第二個斜面的傾角,最后使它成為水平面,小球不可能達到原來的高度,就沿著水平面以恒定的速度持續(xù)運動下去。通過這個“理想實驗”建立的慣性定律,不僅徹底地否定古希臘哲學家亞里斯多德根據傳統(tǒng)觀念提出來的“必須有力作用在物體上,物體才能運動,沒有力的作用,物體就要停

7、下來”的錯誤理論。而且結束維持人們兩千多年的對力與物體運動關系的錯誤認識,使人的認識走向正確的軌道。4.12理想實驗對現代物理學建立的作用 現代物理學是在經典物理的基礎上發(fā)展起來的,研究的對象由低速變?yōu)楦咚?由宏觀變?yōu)槲⒂^,深入到廣垠的宇宙深處和物質的內部結構?，F化物理學家研究現代物理問題,在研究過程中需要克服較為復雜的次要因素和無關因素,用實驗法研究的局限性越來越大,理想實驗法研究的優(yōu)越性越來越明顯。理想實驗在原有實驗事實的基礎,以科學理論為指導,能夠創(chuàng)造出滿足研究物理問題所需要的一切條件。4.1.3理想實驗對將來物理學發(fā)展的作用 現在物理學研究領域表現出一些新的特點。從微觀念領域來說,已經

8、深入到原子內部,人們已經發(fā)現了大小不斷減小,能量不斷增加的許多層次原子、原子核、基本粒子、夸克等,已經達到1016米以下的線底。目前還無預見到這個層級鏈條有沒有一個終端。從宏觀領域來說,人們的視野已經擴展到半經為150億光年的宇宙范圍。依次突破了銀河系、星團、星系和總星系的領域。物理學的研究方法隨之相應發(fā)生了新的變化,實驗向高、精、尖方向發(fā)展,表現為集體化、社會化和國際化。如高能物理實驗,往往要在幾千億電子伏特的能量范圍,上百萬美元的費用,幾十個人在幾年時間才能完成。為了得到所需要的實驗信息,物理學家必須把大部分精力用于開發(fā)儀表的技術,實驗準備往往比實驗本身困難得多,科學實驗靠個人的力量是完不

9、成的。另外,物理學研究的內容遠離實踐經驗的范圍,理論體系高度抽象化和脫離直覺經驗的特證無可避免地日益增加,通常的思維方式和機械論的觀點愈來愈無能為力。因而,借助實驗機構的實驗事實,以科學的理論作指導,通過理想實驗研究現在的物理學問題,充分發(fā)揮人的主觀能動性,就可以克服研究中的不利因素,在物理學研究領域里達到有所突破,推動物理學向前發(fā)展。首都師范大學物理系李忠就這樣認為,理想實驗是現代科學方法的核心4.2理想試驗與物理教育4.1充分運用教材提供的理想實驗建立新的科學概念理想實驗是一種科學思想中形象思維與抽象思維的高度統(tǒng)一，是透過事物表面現象，揭示其本質的過程，因此理想實驗在科學發(fā)展中有獨特的功效

10、，在物理教學中要充分運用理想實驗使學生進行思維訓練和物理思想的培養(yǎng)，充分強調理想實驗的實踐性，并突出其思想性。例如“人造地球衛(wèi)星”一節(jié)內容中，有牛頓關于衛(wèi)星上的理想實驗在講解這一例子時要強調幾個問題,牛頓設想的空間是理想化的,高山頂上拋鉛球的那個人是理想化的“大力神“軌道隨速度改變是逐漸變化的過程。當速度達到某一定值時，此球將沿圓軌道而永遠不落。當球由落地的非圓軌道轉化成不落地的圓軌跡時，發(fā)生了質的飛躍。這一理想實驗雖然在牛頓時代無法實現，但現在可實現所以理想實驗是在一定的條件下轉化成實際實驗的。4.2應用理想實驗巧妙地發(fā)現或呈現物理規(guī)律理想實驗具有其深刻地思想性，蘊含著與“實際實驗”對應地諸

11、多物理規(guī)律，有的規(guī)律運用數學方法推導不僅繁雜且無必要，理想實驗則可解決這些問題。例如，幾何光學中關于物體運動速度與像的移動速度關系問題，用數學運算較繁，且不易發(fā)現動態(tài)規(guī)律。例如，一個物體以速度，勻速地在凸透鏡的主軸上運動，則它所成的實像的移動速度與物體運動速度之間有何關系。如果我們設想一個理想實驗，一個人從無限遠處沿主軸向凸透鏡勻速走來，開始成像在焦點附近是個“小布點兒”這“小布點兒”逐漸變大。但“小布點兒”的腳步頻率與人走動的頻率一樣。所以在成縮小實像時，像移動的速度始終小于人運動的速度。當成放大的實像時，實像如同巨人一般人和這巨人實像的腳步頻率仍然一樣。這時像移動的速度大于人運動的速度，由

12、此可知實像移動速度和人運動速度滿足為放大率。巧妙設計理想實驗還可呈現實驗中較難說明的規(guī)律或鞏固一些物理規(guī)律，也可以讓學生認識到某些規(guī)律的局限性。4.3運用理想實驗調節(jié)課堂氣氛，激發(fā)學生學習興趣巧妙設計理想實驗，可以活躍課堂氣氛，融洽師生情感，從而激發(fā)學生的學習積極性和主動性，情感智商具有很強的可塑性，且情感智商的高低直接關系到學生今后的學習和工作成敗。課堂教學中設計一些具有情感色彩的理想實驗可有效地調節(jié)課堂氣氛?，F代科技的發(fā)展出現了具有還鄉(xiāng)色彩的動畫片，這對拓寬學生的思維具有極其重要地作用，教師要充分利用這些素材，經科學創(chuàng)新后為課堂教學服務。4.4利用理想實驗可以做到出于簡單而歸于深奧理想實驗

13、可以做到出于簡單而歸于深奧，往往可以使某些難于理解的知識變得易于理解。它不僅可以幫助我們澄清物理學中的錯誤觀念，還可以幫助我們加深對新概念的理解和深化，加強理想實驗的教學，可以培養(yǎng)學生豐富的想象力，鍛煉學生的創(chuàng)造性思維能力。例如，麥克斯韋妖這一理想實驗，它不但以鮮明的圖像澄清了熱力學第二定律的一些疑團，更重要的是指出了熵與信息之間的聯系，成為信息論這門新學科的先導。4.5利用理想實驗來培養(yǎng)學生的物理思維能力所謂物理思維，就是物理學中的科學思維，在新一輪基礎教育課程改革中，新物理課程標準提到基礎教育階段的物理課程應以提高全體學生的科學素質為主要目標，滿足每個學生發(fā)展的基本需求，改變學科本位的觀念

14、，全面提高公民的科學素質。此外，物理課程的價值體現之一就是通過科學想象與科學推理方法的結合，發(fā)展學生的想象力和分析概括能力，使學生養(yǎng)成良好的思維習慣。由此就產生了如何通過實踐和教育來培養(yǎng)思維能力的問題,而由于物理思維的特殊性其最佳培養(yǎng)途徑是通過物理教學來培養(yǎng)。理想實驗作為重要的研究方法。在平時教學中需要教師不斷創(chuàng)新。這里創(chuàng)新的含義有兩層：首先，是科學史中或課本上存在的理想實驗的創(chuàng)造性使用；其次，作為物理教師要大膽創(chuàng)造新的理想實驗，使課堂教學的思維更活躍，思維力度更大，效率更高。應該說明的是隨著多媒體手段的使用，很多理想實驗可以借助三維動畫來實現。便在程序設計中必須十分注重理想實驗的思想性和科學

15、性，使學生更早的，具有物理頭腦，更快地掌握物理科學的思想方法科。4.6理想實驗與多媒體技術的結合現代教學離不開現代化的教學手段，90年代蓬勃發(fā)展起來的多媒體技術，是將文字、聲音、圖像、靜態(tài)及動態(tài)圖像與計算機集成在一起的技術。美國休斯頓大學和美國國家航空和宇航局約翰遜空間中心的研究人員建立一種稱之為“虛擬物理實驗室”的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)的學生可以做包括萬有引力定律在內的各種實驗，利用它可以直接研究重力、慣性這類物理現象，可以控制、觀察由于改變重力的大小、方向所產生的種種現象，以及對加速度的影響。從而達到對物理概念和物理定律的深刻理解。利用計算機的虛擬環(huán)境和設定的假設前提和條件，我們就可以進行理想實

16、驗。而且會更加生動逼真，易于理解和接受。這就是最新出現的度媒體演示實驗。實驗過程和結果將不受外界化境等因素的影響，實驗結果與理論完全切合，實驗現象清晰可見。同時我們也應該注意到，多媒體演示實驗完全的公式化，理想化，脫離實際，隱藏了一些實際問題，不利于學生發(fā)現問題解決問題能力的培養(yǎng)和提高。如何實現多媒體技術與理想實驗的完美結合將是未來教育技術的一個重要課題。5理想實驗舉例：5.1愛因斯坦與理想實驗無論是1905年建立狹義相對論，還是1915年建立廣義相對論，愛因斯坦在其物理學研究的過程中，都因運用理想實驗而顯得深刻、嚴密和精彩。5.1.1“愛因斯坦列車”理想實驗19世紀末，物理學獲得了一批新的實

17、驗事實和理論研究成果。例如邁克爾遜莫雷實驗的零結果、洛侖茲對實驗的理論解釋、彭加勒卓有成效的理論研究，都昭示著一個全新的力學體系將要誕生。并且，他們所得到的一些結論，實際上已經超出了舊理論的框架。然而，他們都未徹底擺脫牛頓力學絕對時空觀的束縛，無法從根本上取得理論突破。1905年，年輕的愛因斯坦終于找到了新理論的突破口，即發(fā)現相對性原理。愛因斯坦是用一個理想實驗來闡述他的發(fā)現的。這個理想實驗，就是被后人稱道的“愛因斯坦列車”：當兩道閃電同時下擊一條東西方向的鐵軌時，對于坐在兩道閃電正中間的鐵軌旁的第一個觀察者來說，兩道閃電是同時發(fā)生的；但是對于坐在由西向東行駛的列車上正好經過第一個觀察者的第二

18、個觀察者來說，兩道閃電并不是同時下擊的，因為第二個觀察者正在以一個速度接近東方的閃電而遠離西方的閃電，東方的閃電到達他的眼里要比西方的閃電早一點。所以，在第一個靜止的觀察者看來是同時發(fā)生的閃電，運動中的第二觀察者卻看到東方的閃電先亮而西方的閃電后亮。如果進一步設想火車是以光速前進的，則西方的閃電永遠不能追上火車，所以火車上的第二個觀察者就只能看到東方的那一道閃電了。由此，我們不能得到這樣的結論：在鐵軌旁的第一個觀察者看來是同時發(fā)生的兩件事，而在火車上的第二個觀察者看來卻并不是同時發(fā)生的。顯然，同時性只能是相對的。事實上，每一個坐標都有它本身的特殊時，脫離參照系而孤立地陳述某一事件的時間是沒有意

19、義的。“愛因斯坦列車”理想實驗形象而生動地揭示了同時的相對性，從根本上否定了牛頓的絕對時空觀。相對性原理是愛因斯坦建立狹義相對論的基本出發(fā)點。5.1.2“愛因斯坦電梯”理想實驗狹義相對論建立以后，愛因斯坦并沒有止步。他認為狹義相對論還有許多問題沒有解決。例如：為什么慣性坐標系在物理學中比他坐標系更優(yōu)越？為什么慣性質量隨能量變化？為什么一切物體在引力場中下落都具有同樣的加速度？剛剛經受住考驗的狹義相對論，為什么一用到引力場中就遇到矛盾？愛因斯坦感到極大的困惑。但他堅信自然界的和諧與統(tǒng)一，認為要么對慣性坐標系為什么特別優(yōu)越作出解釋，要么放棄慣性坐標系的優(yōu)越地位。愛因斯坦考慮應該把相對性原理推廣到任

20、意參照系中，建立更為普遍的物理理論。他后來寫到：“物理學的定律必須具有這樣的性質，它們對于以無論哪種方式運動著的參照系都是成立的。沿著這條道路，我們就達到了相對合理的擴充?！薄捌毡榈淖匀灰?guī)律是由那些對于一切坐標系都有效的方程來表示的?！蹦敲矗茝V應該從哪里入手呢？首先要解決的問題是什么呢？我們知道，只有當系統(tǒng)不受外力或外力為零時才能作為慣性參考系。地球上的物體要受到地球的引力；地球處于太陽系中，要受到銀河系各星體的引力自然界各物體之間普遍存在的引力，說明要把相對論原理推廣到任意參照系，引力是不可回避的問題，首先必須研究引力。問題的決定性突破，是由一個天才的理想實驗取得的。用愛因斯坦1922年回

21、憶創(chuàng)建廣義相對論過程的話說：“有一天，突破口突然找到了。當時我正坐在伯爾尼專利局辦公室里，腦子里突然閃現了一個念頭：如果人正在自由下落，他決不會感到他有重量。我吃了一驚，這個簡單的理想實驗給我的印象太深刻了，它把我引向引力理論。我繼續(xù)想下去：下落的人正在做加速運動，可是在這個加速參照系中，他有什么感覺？他如何判斷面前所發(fā)生的事情？”這就是被物理學家稱為“愛因斯坦電梯”的理想實驗。下面我們具體看一下這個理想實驗：愛因斯坦假設，理想電梯中裝有各種實驗用具，并且有一位實驗物理學家在里面安心地進行各種測量。當電梯相對于地球靜止的時候，電梯里的實驗物理學家將測出電梯里的一切物體都受到一種力。若沒有其他的

22、力與這種力相平衡，這種力就會使物體落向電梯的地板，并且所有物體下落時的加速度是相同的。由此，實驗物理學家能夠得出結論：他所在的這個電梯受到外界的引力作用。如果讓電梯本身做自由下落的運動，實驗物理學家將會發(fā)現，電梯里的一切物體都不再受到原來那種力的作用，物體的加速度沒有了，電梯里的一切都不再表現出任何受引力的跡象。蘋果和羽毛皆可以自由地停留在空間，實驗物理學家可以在電梯底部行走，也可以在電梯頂部或側壁行走，各種行走所需的力氣完全相同。此時，實驗物理學家通過觀測任何物體的任何力學現象都不能獲得任何引力存在的跡象。愛因斯坦進一步指出，在理想電梯中，那位實驗物理學家不僅通過力學現象得不到引力存在的跡象

23、，而且通過其他任何物理實驗都不能得到引力存在的跡象。這就是說，在這個理想電梯的參照系中，引力被完全消除了。電梯中的實驗物理學家既不可能通過物理現象來判斷電梯外面是否存在一個地球這樣的引力作用源，也不能測量出自己的電梯是否在做加速運動。這就像伽利略設計的薩爾維阿蒂大船，船里的觀察者無法通過物理現象判斷大船是否運動一樣。通過電梯的理想實驗，愛因斯坦發(fā)現了引力的最重要的特性：可以在任何一個局部范圍內找到一個參照系，使其中的引力作用被全部消除。引力的這一特性是物理學中其他力都沒有的。因為電磁力、粒子間的強相互作用力和弱相互作用力，都是不可能用選擇適當參照系的方法完全消除的。“愛因斯坦電梯”理想實驗抽象出廣義相對論的一個重要