理想实验及其功能探讨

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Ｎｏ．１７４．＇１４．

物理教学探讨

Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ姗ａＴ妯ｉｎｇ

第２０卷总第１７４期

２０呓年第１２期

理想实验及其功能探讨

四川达县师范高等专科学校物理系（６３ｘ】００）

陈功

理想实验（ＴｈｏｕｇｈｔＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）是一种重要的物理实验研究方法。本文主要讨论理想实验的定义、与真实实验的关系、在科学研究中的作用及其在物理教学中的地位。

理想实验是科学工作者源于自身的经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，是在真实科学实验基础上，对实际过程作出更深入一层的抽象分析，而这些分析又必须遵从和不违背那些被长期的科学实践所证明的逻辑规则和依据。“理想实验”也需要自己的“实验仪器”，只不过这种“实验仪器”在当时由于受各种条件的限制是不客观存在的，它表现为超越当时的科学技术发展水平的科学思维。

“理想实验”虽然也叫“实验”，但它同真实的实验项目和方法是有原则区别的。

真实的实验是一种客观的具体的科学实践活　

动，而理想实验则是一种思维活动；真实的实验是可以将设计通过物化过程而实现的实验过程和目的，而理想实验则是由人们在抽象思维中设想出来，而在当时实际上无法做到的实验。

理想实验在一定的条件下是可以转化为真实实验的。在一个时期表现为超越现实的理想实验，随着时间的推移以及科技的发展，将有可能成为真实实验。例如：牛顿曾在《自然哲学的数学原理》中，描述了从高山顶上平抛一个铅球的理想实验，他设想，当发射速度足够大时，铅球将可能绕地球运动而不再落回地面，这在牛顿时代是不可能实现的。而在今天，＾造卫星的成功发射，从某种意义一ｋ可以认为是对牛顿预见的证实。再如：关于运动时钟延缓的结论，爱因斯坦创立相对论时，是由一种理想实验推导出来的。但到１９７１年，美国的哈弗尔（Ｈａｆｅｌ）和凯丁（Ｋｅａｔｉｎｇ）作了实验，他们把四只铯原子钟放到飞机上，在赤道平面附近高速度向东及向西飞行，也就说相对于地球的速度不同，当飞机分别绕地球航行一周回到地球的出发点时，与一直静ＩＥ放在那里的铯原子钟对比时间，结果表明，处在向东飞行的飞机上的钟，其读数平均慢了５９×

万方数据

１０－９秒，处在向西飞行的飞机上的钟，平均快了２７３×１０－９秒，这种实验结果与相对论理论计算值在１０％的误差范围内完全一致。这个实验，一方面检验了狭义相对论的正确性，另一方面也说明了人们已将前人理想实验转化成了真实实验。

自然科学的理论研究中，理想实验具有重要的作用，作为一种抽象思维的方法，可以进一步揭示出客观现象和过程之间存在的逻辑联系，建立和引导出新的正确理论，起着重要作用。

“惯性定律”就是理想实验的一个重要结论。伽俐略曾注意到，当球从一个斜面上滚下而又滚上另一个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第—个斜面上滚下的高度几乎相等，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。他推想，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，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么，球从第一个斜面上滚下来后，将以恒定的速度在无限长的平面＿ｋ７３（远不停地运动下去。这个实验是一个理想实验，因为人们无法做到将摩擦完全消除。但是，伽俐略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来一千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陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础，后来这个结论被牛顿总结为第一运动定律，即惯性定律。

爱因斯坦也曾多次地利用理想实验的方法创立新的理论。他在建立广义相对论时，设想了自由下落的升降机理想实验。他设想：在自由下落的升降机里，一个人的手上拿着一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果无任何阻力，这两个物体就停在他松开手的地方。由此，爱因斯坦得出结论：处在“自由下落电梯”中的观察者将不可能通过其它任何物理实验来发现引力，即在这个特定的“电梯”参照系中，引力被消除了，这个理想实验帮助爱因斯坦创立了广义相对论。

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第２Ｄ卷总第１７４期物理教学探讨

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！理想实验有时还能对相关的新兴学科的创立

及其发展发挥非常重要的作用。以英国物理学家麦克斯韦的名字命名的“麦克斯韦”理想实验就是典型的例子。麦克斯韦指出：“如果我们设想一精灵，这一精灵，虽则其本领仍然和我们一样有限，将能做出我们所做不到的事情，因为我们已经注意到处于等温状态装满空气的器皿之中，分子的运动速度并不均一，虽则任取大量分子的平均速度是均一的，现在我们设想容器分为Ａ、Ｂ两部分，在界壁上留一小孑Ｌ，而一个能够看到单个分子的精灵开关这一小孔，只令快速分子从Ａ进入Ｂ，而慢速分子从Ｂ进入Ａ，这样它无需做功，便使Ｂ的温度升高，使Ａ的温度降低，与热力学第二定律产生矛盾。”此理想实验在热学的发展中扮演了相当重要的角色，它以鲜明的图象，澄清了热力学第二定律的一些疑信息论这门新学科的先导。

　

理想实验的方法在教学中亦有着其重要地位。对受实验条件限制不能进行实际操作的实验，选用理想实验进行模拟，将有助于学生对实验结论

的认识，有助于对某种新理论的理解。例如：“光具有波粒二象性”这个结论，虽然可以通过“瓦维洛夫实验”来证实，但一般实验室是无法完成的。为此，教学中我们可用一个理想实验来模拟，在光的次只发射一个光子的仪器，发射的光子一个—个地通过狭缝。如果曝光时间很短，底片上只出现一些无规则分布的点子，那些点子是光子打在底片上形成的，表现出光的粒子性，曝光时间如果足够长，底片上则出现规则的干涉条纹，这就证明了大量光子表现为波动性。作了这样的处理后，学生理解“光的

其功能是如此敏锐的以追踪每一个运动中的分子，双缝干涉实验中，在屏处放上照相底片，有一个每

波粒二象陛”这个结论就容易些。

虽然理想实验并不是检验物理学理论真理性的标准，只是一种思维方法，但由于抓住研究对象和研究过程的主要因素，因而使整个研究过程大为简化，易于得出的结果。

学的发展起到了重要的作用。在物理教学中，我们应有意识地渗透当代物理学这些先进思想和方法，培养学生的创新意识和探索精神，提高综合能力。

（栏目编辑

王柏庐）

团，更重要的是指出了熵与信息之间的联系，成为理想实验、创造陛思维等方法，对于现代物理

接玻璃体也浸入沸水中一定的深度，这在温度计上

做好水沸腾实验的关键

江苏省沭阳县修远中学（２２３６００）

李密

都有标志。它是在玻璃泡到零刻度线之间的一条横的标志线（这一条刻度线往往不被注意），所以在测量水的沸点时关键是要把温度计插入水中一定的深度，一般以那条标志横线为准。如果插入得过深，温度计的读数将超过实际温度，这一点可以这样验证，用热水器插入热水瓶中把水烧开，取出热水器，但当把温度计的大半部分插入热水中时，过一会将发现温度计的读数超过Ｉ（Ｂ。Ｃ。同样温度计如果插入得过浅，温度计的读数将小于物体的实际温度。在做水的沸腾实验时，如果其它操作正确而水激烈沸腾时温度计的读数仍达不到１００。Ｃ，往往是温度计插入得过浅，此时只要适当调整温度计插入水中的深度就可以使温度计的读数为１００。Ｃ。在实验前教师可预先做一下，记下温度计的读数为１００。Ｃ时玻璃泡插人水中的深度，做到演示实验时心中有数，这样就一定能确保实验成功。

（栏目编辑

王柏庐）

很多教师认为水的沸腾实验无技术性问题，因而未能引起足够的重视，其结果在做实验时大多得不到完整、正确的结论，于是用水不纯净、气压不标准、温度计有误差搪塞过去。遇到的主要问题是温度计读数达不到１００。Ｃ，继续不断加热，温度计的读数维持在９５～９７℃之间，烧杯中的水在沸腾着，温度计的读数却不上升。某些教参上也没有正确分析实验存在误差的原因。这里有一个关键的问题，就是温度计插入水中的深度。

厂家在制造温度计时，考虑到跟玻璃泡相连的液柱在变长时温度成一定的梯度降低，液柱上端的体积遇冷收缩，影响测量结果。因此在制作时不是仅仅将玻璃泡浸入沸水中，而是将跟玻璃泡相连

万方数据

理想实验及其功能探讨

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

陈功， Chen Gong

四川达县师范高等专科学校物理系,635000物理教学探讨

JOURNAL OF PHYSICS TEACHING2002，20(12)0次

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