论理想实验在物理学中的作用-物理专业论文.doc

学科分类号 888

本 科 毕 业 论 文

题 目（中文）： 论理想实验在物理学中的作用
（英文）： The role of theory of ideal
experiment in physics
姓 名 奥迪
学 号 1314668
院 （系） 物理与电子科学学院
专业、 年级 10级物理学本科
指导教师 宝马 职称 副教授
奔驰 职称 助教

二000年 4月

贵州师范学院本科毕业论文诚信声明

本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文作者签名：

二000年 10 月 1日

贵州师范学院毕业论文（设计）

目　录

摘 要 1
ABSTRACT 2
1、绪论 3
1.1 理想实验的概述 3
1.2 理想实验的发展进程 3
2、理想实验的性质 4
2.1 理想实验的概念与特点 4
2.2 理想实验与真实实验的联系与区别 4
3、理想实验在物理学中的作用 6
3.1 理想实验在物理学发展中的作用 6
3.1.1 理想实验推动物理学发展 6
3.1.2 理想实验是建立新概念的有效方法 7
3.1.3 理想实验是探索和创建新理论的最佳方法 8
3.2 理想实验在物理学理论研究中的应用 8
3.2.1狭义相对论思想萌芽 8
3.2.2相对论的建立 9
3.2.3静止质量的解释 10
4、理想实验在物理教学中的作用 11
4.1理想实验在物理教学中的应用 11
4.1.1垂直于相对运动方向的长度测量与运动无关的理想实验 11
4.1.2非惯性系与引力场等效的理想实验 11
4.2理想实验在物理教学中的作用 12
5、总结与展望 15
参考文献 16
致 谢 17

摘 要
本文详细论述了理想实验的概念以及它们在物理学中的地位和作用，并对比分析了理想实验和真实实验的辩证关系。
从物理学发展的历史来看，作为物理学理论的基础，物理实验是物理学发展的基本动力。其中理想实验在物理学发展史中起到了非常重要作用，它能够纠正物理学中的某些错误观念，也是一个建立新概念、探索新理论的有效途径。当物理教师对物理教材理想实验进行研究时，不仅可以使之认识、理解、掌握这些理想实验，更重要的是通过物理教学让学生掌握这种物理思想，并且能主动地运用到物理的学习中去。
关键词：理想实验；物理学发展；物理教学

2

ABSTRACT
This thesis elaborates the concept of ideal experiment in detail and the position and role of ideal experiments in physics, and further gives a comparative analysis of the dialectical relationship between ideal experiment and real experiment.
From the history of the development of physics, physical experiments are the basis of the theories of physics and the basic driving force of the development of physics as well. In particular, ideal experiments can eliminate the misconceptions of physics. They’re the effective ways to establish new concepts and explore new theories, and they also play an irreplaceable role in the history of the development of physics. Furthermore, a study on the role of ideal experiments in physics teaching not merely helps the students to know, understand and master the ideal experiments in the textbooks of physics. More importantly, such a study helps the students to know such ideas of physics and voluntarily apply them in learning and studying physics.

Key words：ideal experiment; development of physics; physics teaching

1、绪论

1.1 理想实验的概述
理想实验是人们在大脑中想象出来的实验过程，是一种利用逻辑来进行推理的思维过程，是物理学的专利和特有法宝。在研究物理科学的理论时，理想实验具有非常重大的意义。当代社会，人们对实际的科学实验有了更深刻的理解大都离不开理想实验，而利用理想实验还可以发现特别的一些规律，得到一些非常有用的结论。

1.2 理想实验的发展进程
亚里士多德认为力是维持物体运动的原因，这个观念让公元前4世纪的人们一直处在一个错误的物理环境中。伽利略被称作“近代物理学之父”，在物理学领域中做出了很多重大贡献，其中他借助了大量理想实验来揭示出一些正确的科学观点，由此推翻了亚里士多德的错误观点，把人们从错误观点的漩涡中解脱出来，并使得物理学发展出现了新的希望。其中“第二斜面”这一理想实验揭示出了“惯性定律”，这一定律标志着物理学就此诞生了。
另外爱因斯坦、麦克斯韦等著名科学家都运用了理想实验，建立了许多新的科学概念，“理想实验”在物理学科学的探索之路上起着重要的作用，它是创建新理论的有效方法。直到现代，虽然新科学技术发张迅速，但理想实验的地位仍不可小觑，尤其在物理教学中也起了十分重要的作用，因此现在理想实验依旧受到了广泛的关注和重视。
2、理想实验的性质
2.1 理想实验的概念与特点
在众多学科中，物理学是一门实验性很强的学科，物理概念和物理规律的建立，通常都需要借助实验；同时理论又指导实验，并在新的实验的基础上继续完善理论。
理想实验，不需要人们动手去操作，只需要用大脑想象出实验的装置和过程；然后提出一些假设，依据一些本来就已证实的理论进行推论和演算；最终经过一系列的分析得到实验结论。。
理想实验是一种假想的实验，但也不能脱离实际，所以说它的特点是以是科学实践为基础，以思维辩证为根本，以创新精神为骨髓，以推导演练为方法。在一定的条件下理想实验是可以转化为真实实验的，它可以用来推翻旧的不合理的理论，同时还能帮助建立一种新的理论。

2.2 理想实验与真实实验的联系与区别
真实的科学实验与理想实验相比，真实的科学实验需要动手用具体的实验装置去做，这样就肯定会受到一定的制约，还要考虑到实验条件的影响和实验误差的分析等情况，而理想实验就可以排去这些林林种种，只取其精华部分。同时在当今物理学领域的研究中，光依靠真实实验已经远远不能满足实际需求了。比如，在实验室里我们是不可能用实际手段制作出黑洞，而史蒂芬霍金之所以能够洞悉许多宇宙黑洞的奥秘就是凭借了大量的理想实验。再有就是，近代物理实验需要花费较多的费用和时间，有的甚至没有多大的意义，这种情况下用理想实验代替更能起到一种独特的作用。
理想实验一方面跟真实的科学实验存在不同，另一方面跟纯粹的理论假说或理论推演也有区别。
理想实验中包括了很多理论假说或理论推演的成分，甚至其中绝大部分都运用到了，但二者还是有很大的区别。有两个最为显著的特点体现在理想实验方面：第一点，理想实验需要构想出一套模型化的装置和具体的实验状态。第二点，理想实验本身就包含着一个特征环节，就是需要比较判别，相比之下，理论假说或理论推演是不一定需要比较判别的，它的主要部分是逻辑分析和数学推导才，所以说二者有所区别。

3、理想实验在物理学中的作用

3.1 理想实验在物理学发展中的作用
现在，理想实验得到人们越来越多的重视，它促进了物理规律、理论的发展，推动了物理学向新的领域扩展，它在物理学发展中起了非常重要的作用：
3.1.1 理想实验推动物理学发展
理想实验能澄清物理学中的错误观念，推动物理学的发展，下面以伽利略的一个理想实验来详细论述：

图1 “第二斜面”实验
“第二斜面”实验（图1），是伽利略在实验时观察到，由于摩擦力非常小，所以当一个球从一个斜面滚下又滚上另一个斜面时，小球会滚上第二斜面且高度与第一斜面基本上相同。于是他推测，如果没有摩擦的话，小球肯定会滚上相同的高度，如果第二斜面的倾斜度变小，小球还是会滚上与之前同样的高度。接着他又想到，若第二斜面是一个水平面，小球可能会持续地沿水平方向匀速运动下去。这个实验就是一个理想实验，因为实验中所说轨道的摩擦是不可能被消除的。最后，他得到这样一个结论：物体在一个无限延伸的水平面上运动，如果一直没有碰到什么阻碍，那么这个物体会一直保持匀速运动。这就是惯性定理，此结论在物理学发展中是非常重要的，它否定了亚里士多德的论点，就此“力是维持物体运动的原因”这一错误观点被果断地推翻了，后来它又被牛顿总结为牛顿第一定律，为近代力学的建立铺了路。
3.1.2 理想实验是建立新概念的有效方法
理想实验有它一定的程序：首先提出猜想，然后根据这个猜想设计出一个不用考虑什么的技术问题或者外界影响的、又可能在现实生活中是无法实际操作的实验，接着又运用物理中已有的知识体系，动用脑筋、发挥想象并运用一定的逻辑推理，得出实验的假设结论，最后再运用已证实的物理理论对命题做出评判。
早在1871年时，负熵还是一个新的科学概念，麦克斯韦就是通过一个理想实验将其发现的。他设计的理想实验指出：一个容器中整体的温度不变，每一个气体分子的运动速度有的快有的慢，整体上速度又是均匀的。设想把一个容器分隔为两个部分：A和B，然后在分界上钻出一个小孔，这个小孔能让快分子从A向B运动，让慢分子从B向A运动，这样的话不做功也能降低A部分的温度而升高部分B的温度，这是不符合热力学第二定律的。后来，布里渊认为麦克斯韦这一实验要成立，就必须依靠外界的光线和能量，当密封容器进入了光线和能量后，就会使其熵增加，这样增加的熵可以将刚才减小的熵抵消。最后可得：此实验所说容器是一个开放系统，光线和能量进入后向该容器输入了负熵，“负熵”这一概念就这样产生了，它有力地反驳了“宇宙的熵是无限增大”这一错误理论。
3.1.3 理想实验是探索和创建新理论的最佳方法
量子论的建立也运用到了理想实验者一思想方法。在量子力学中，电子束的单缝衍射实验是海森堡用来推导测不准关系的，这个实验就是一个理想实验。我们知道中等速度电子的波长约为10米，原子之间的距离也是在这个范围内，当电子束穿过原子之间的空隙，就可以发生衍射。然而，只有把所留单缝四周所有原子之间的空隙都堵死，才可以制成能够使得电子束发生衍射的单缝。这在现实生活中肯定是做不到的，现在能做成功的只有电子的原子晶格衍射实验。
另外，相对论的创建史，就是理想实验一部绝妙的运用史。爱因斯坦巧妙地利用理想实验来推出相对论的某些原理，并成功创建了相对论。所以说理想实验是爱因斯坦的论证工具和基础，它在相对论的创建过程中占有非常重要的地位。

3.2 理想实验在物理学理论研究中的应用
3.2.1狭义相对论思想萌芽
理想实验让爱因斯坦狭义相对论思想得以萌芽，爱因斯坦在他16岁的时候，提出了这样一个理想实验：如果说牛顿力学是正确的，那么就会存在一个惯性系是以光速匀速运动的。让这样一个惯性系的运动方向与光波相同，同时让一个人在这样的惯性系上对光波进行观察，这个人能看到什么呢？根据伽利略变换，在这样一个惯性系中，这个人可以看到自己与波峰波谷一起运动，虽然在空间各点电磁场强度是不同的，但在任何一个确定点上它是不会随着时间而变化的，这样就像拍得的海浪照片。
面对这一结果，爱因斯坦分析得到：（1）电磁波的存在早就被赫兹用实验证实了，而麦克斯韦方程又是不容置疑的，它是波动方程，方程的可能解应该是时空中的波，而不会是海浪照片。（2）相对性原理也是不能被置疑的，它是自然界中普遍存在的事实，当然在电动力学中也能成立；一个人在惯性系中观察到的所有物体的运动规律肯定和他相对于地球静止时看到的相同。
这个理想实验的结果说明在以光速运动的惯性系中，麦克斯韦方程不再是波动方程，相对性原理在电动力学中是不成立的，这就出现了矛盾。于是我们知道，观察者是不可能以光速运动的，而且无论用什么样的方法都不能达到或超过光速。也就是说光速不仅是电磁波传播的速率，同时还是一切物体运动速度的上限。
3.2.2相对论的建立
狭义相对论的建立过程中，有这样一个理想实验：有一条铁路轨道是由东向西的，当东西方向各一道闪电在同一时间击中这一轨道时，站在俩闪电正中间的人可以看到这两道闪电是发生在同一时间的。对另一个坐在由东向西高速行驶的火车上的人来说，这两道闪电却不是发生同一时间。因为第二个人是在向西方的闪电靠近，这样的话西方的闪电会更快一步被他看到。因此，静止的人觉得是同时发生的闪电，坐在行驶火车上的人看来却是西方先东方后，这就是同时性的相对性，它的提出对于建立狭义相对论起了关键作用。
无论是狭义相对论还是广义相对论，爱因斯坦在创建它们的过程中，都用了非常多的理想实验，他充分发挥了自己的聪明才智，运用其思想思维和逻辑推理为人们创造出了一笔巨大的财富。
3.2.3静止质量的解释
静止质量是物体相对于惯性系速度为0时的质量，它与物体所含原子数的多少无直接关系，爱因斯坦也是用了理想实验来证明。
有一个封闭箱子装了若干个小球，选定一惯性系使得箱与小球都处于静止状态，这时箱子与小球只有静止质量。然后让箱子保持静止，而让小球像气体分子一样做无规则运动，这就使小球具有了动能。这种情况下，小球的运动会使得它的质量增加；同时箱子仍然处于静止状态，但受到小球的影响，它的静止质量也相应地增加了。这个结果表明：按照相对论质能关系，不仅是物体的外部动能，物体的内部动能也能使物体的质量增加，就像一块烧红的铁，比冷却时有更大的质量。
爱因斯坦借助于理想实验和相对论，论证了质量和能量的完全等价性，把原本没有关系的两个重要守恒定律，即能量守恒和质量守恒，统一为了一个自然定律。

4、理想实验在物理教学中的作用
4.1理想实验在物理教学中的应用
4.1.1垂直于相对运动方向的长度测量与运动无关的理想实验
在对于狭义相对论的教学时，就可以运用理想实验来论证“测量垂直于相对运动方向的长度是与运动无关的”。
假设有一辆列车停在一个山洞外面，火车的车厢高度和山洞的高度是相等的，火车开始向山洞匀速行驶，这时火车车厢的高度还会和山洞的高度相等吗？或者说，高度和运动是否有关呢？在以地面为参照物时，火车是运动的，因此车厢高度会变小，火车能顺利地通过山洞。而以车厢为参照物的话，山洞看做是运动的，也就是说洞顶的高度会减小，车厢就会无法进入，这样就前后矛盾。事实上，我们已经能够确定车厢是否会穿过山洞，根本就和参考系的选择没有关系，也就是说上述矛盾不会发生，由此可知：车厢的高度和山洞的高度是固定的，即在测量垂直于相对运动方向的长度时是与运动没有关系的。
4.1.2非惯性系与引力场等效的理想实验
“爱因斯坦升降机”这一理想实验说明了非惯性系与引力场的等效：
先将地球看成是惯性系，重力加速度均为g。然后想象有一个人在一个密封的升降机里动手做着力学实验，当升降机停在地面上时，地球对它有的引力，也就是说把它也当成惯性系。而升降机开始相对于某个惯性系以加速度g向上运动时，引力场消失，它自己本身则是一个非惯性系。这两种情况测得的结果和现象是一样的，即物体下落的加速度都会是g，这样做实验的人就判断不出他所在的参考系到底是惯性系还是非惯性系，是有引力的还是无引力的。这个实验说明了，物体在非惯性系中的运动和在引力场作用下的运动是等效的，即非惯性系与引力场等效，爱因斯坦把这个结论称为“等效原理”。依据这个等效原理，可以用非惯性系来消除引力场。

4.2理想实验在物理教学中的作用
现今社会的教育已转换为素质教育，也就是说要更加注重学生的能力培养，理想实验应用在物理教学中，不仅可以让我们更容易理解和掌握物理教材中的理想实验，还可以培养学生科学的学习态度并掌握物理学理论研究和物理教学的方法。
1．可以帮助学生建立新的科学概念
人们可以利用理想实验抛开事物表面的东西而挖掘出其最本质最内在的东西，因此我们说理想实验对于物理教学来说有着它独特的优点。在物理课堂上，老师要利用用理想实验来训练学生的思维、培养学生的物理思想，并要再三地对学生强调理想实验的实践性和思想性。
2．巧用理想实验可以更为清晰地将物理规律呈现给学生
理想实验饱含着深刻的思想性，蕴含了许多与实际实验相对应的物理规律，如果用数学方法来推导某些规律会非常的繁杂且没有必要，理想实验则不会有这样问题出现。巧妙设计出理想实验不仅可以道出物理教学中一些难以说清楚的物理规律，还可以让学生认识到物理理论与规律也是有局限的。
3．运用理想实验来激发学生的学习兴趣，调节课堂气氛
活跃的课堂气氛是一堂好的课堂所必不可少的，而在课堂上合理运用理想实验就能够达到这一效果。课堂气氛活跃了，学生的学习兴趣也能被成功地激发，这种情况下他们会具有很强的可塑性，对新知识的接纳就能事半功倍了。当代社会科技迅速发展，课堂上能运用多媒体教学，教师应当充分利用这些有利条件，科学创新出一些具有情感色彩的理想实验课，以达到更好的教学效果，为课堂教学服务。
4．运用理想实验可以通过简单看到其深层奥秘
理想实验可以通过简单看到事物本身更深一层的奥秘，通常可以让人们更容易理解那些本来难于理解的知识。一个新的物理概念要被学生接纳和理解需要一个过程，如果没有一个浅显易懂的方法，学生会很难掌握，这就会使他们产生厌学的心理，这样下去后果不堪设想。而理想实验在某种程度上来说，抛去也了很多实际的误差分析，这大大减少了学生所要考虑的因素，让物理规律的呈现更为浅显易懂。因此，加强理想实验的教学，可以培养学生丰富的想象力和创造性思维，能帮助学生理解和深化新的概念。
5.理想实验能够培养学生的物理思维能力
现在教育界进行了新一轮基础教育课程改革，它的主要目标是提高全体学生的科学素质。所以每门学科的教学均要贯彻这一措施，就更要在物理教学中运用到理想实验，它能发展学生的想象力和分析概括能力，进一步培养学生良好的物理思维能力。
6．理想实验能激发和培养学生的创造能力和创新意识
现如今这个社会，老师的职责已不仅仅局限在知识的传授上，还应该注重培养学生科学的学习态度，用各种教学手段引起学生的学习兴趣，让学生主动学习、喜欢学习。作为一个物理教师必须掌握好各种教学技能，并自觉地对各种技能进行加强和巩固。而在物理教学方面更要想办法激发学生对科学探索的热爱和创造欲望，理想实验要求人们具有较强的发散思维，因此多运用理想实验就必须多动脑想象和思考，更需要大脑的创新。可以先让学生自己提出问题并想出解决问题的办法，同时老师再加以引导，这样更能发展学生的思维能力，激发和培养学生的创造能力和创新意识。

5、总结与展望

理想实验在物理学中有着非常重要的地位，它是物理学理论研究和物理教学的一种重要方法，它不仅在物理学理论研究及其发展过程中起了不可替代的作用，同时还能在物理教学上发挥它独特的效果。
我是因为在一次课堂教学时运用到一个理想实验，从而引起了我对它的兴趣和关注，我知道理想实验并不是一个新的研究课题，伟大科学家、物理学家伽利略和爱因斯坦，都是运用了大量的理想实验来研究出他们一系列的理论。当今社会的科学技术迅速发展，但理想实验的运用依然是非常重要和关键的，它在物理学中的地位仍然坚固而不可动摇，我们要重视“理想实验”这一重要方法，争取为物理学的理论研究和物理教学工作做出贡献。

18
参考文献

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[5] 杨劲松.理想实验和逻辑推理与伽利略的研究思想[J]. 呼兰师专学报, 2001, (17).
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[7] 卢建书,李春满.“理想实验”在物理学中的作用[J]. 张家口职业技术学院学报, 2004, (17).
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[9] 南景宇, 岳建.“理想实验”在物理学中的作用[J]. 物理通报, 2004, (2).

致 谢

这篇论文在我经过很长时间的调研，搜集资料，构思之后，终于完成了。 看着文章内心感慨万千，回想起自己的学习时光，更是体会颇多，深知在自己完成的论文的过程中得到了很多人的帮助。本文是在我的指导老师的悉心指导下完成的，从论文题目的选定，开题报告的制定，到初稿的完成，再到终稿的形成无不倾注着两位老师的心血。老师们治学严谨，学识渊博，思想敏锐，工作上一丝不苟，兢兢业业，给我留下了极深的印象，在这里向两位老师致以最诚挚的谢意与敬意！其次，还要感谢多年来帮助和支持我照顾我的同学，朋友及家人，在他们身上我看到了我的不足，从而使自己更加完善，没有他们的帮助和支持，我的论文不能如此顺利的完成。最后真诚的感谢各位老师在我学习上给予我的指导和帮助。
在形成论文的过程中，深感自己的知识有限，因此，文中不当之处在所难免，请各位师长不吝赐教。

学生：奥迪
2000年 10月

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