梁一機（廣東石油化工學院　理學院，廣東　茂名　525000）

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理想實驗在高校物理實驗的應用探析

梁一機
（廣東石油化工學院理學院，廣東茂名525000）

摘要：從高校物理教學來看，只有結(jié)合課本中的物理學史實介紹科學先驅(qū)者，消除大學生心理上對理想實驗的神秘感才能使學生更好地掌握理想實驗的方法.目前，虛擬仿真實驗為開展理想實驗提供了便利，但考慮到虛擬仿真實驗的優(yōu)點和不足，必須堅持從教學需要來決定是否應用仿真實驗，必須引導學生經(jīng)歷完整的科學探究過程.

關鍵詞：理想實驗；虛擬實驗；應用

1　引言

1.1理想實驗的概念

理想實驗是一種重要的理論研究方法，是以真實的實驗為基礎進行科學研究活動的創(chuàng)造性思維形式.由于理想實驗是在現(xiàn)實的基礎上進行的深層次的抽象分析，根據(jù)已經(jīng)被實踐所證實的邏輯法則來進行思考和分析，雖然沒有經(jīng)過真實的實驗，但由于突出了其中的主要矛盾，而忽略了次要矛盾，仍會獲得基于現(xiàn)實而又高于現(xiàn)實的效果.

1.2理想實驗的作用

從物理學的發(fā)展過程來看，理想實驗起著至關重要的作用，通過理想實驗的方法來實現(xiàn)理論的建立、補充和完善的例子舉不勝舉.可以說，沒有理想實驗，人們的認識和思維就無法超越現(xiàn)實的束縛，就無法建立起如此完善的物理學體系［1］.

1.2.1理想實驗建立和發(fā)展了經(jīng)典物理學理論

從一定意義上來說，經(jīng)典物理學是與理想實驗相伴而生的.在16世紀之前，亞里士多德關于運動的描述和解釋一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，是伽利略通過理想實驗的方法對亞里士多德的理論提出了挑戰(zhàn).伽利略設想：根據(jù)亞里士多德的落體理論，如果將輕重不同的兩個物體連接起來并從高處拋下，其速度應該比兩個物體的下落速度都快（因為其質(zhì)量比兩個物體都大）；從另一個角度來想，復合物的質(zhì)量會因為兩物的相互牽扯而界于較輕的物體和較重的物體的下落速度之間.這就出現(xiàn)了兩個相互矛盾的結(jié)論，引導人們沖破了亞里士多德思想的束縛，為控自然科學的發(fā)展開辟了道路.此外，伽利略還以小球在斜面上的滾動實驗為基礎，設想如果小球從斜面上滑下來，進入到?jīng)]有摩擦力的水平面，將會永遠運動下去，使人們對力和運動的關系有了清楚的認識，并為慣性定律的得出奠定了基礎.

此后，牛頓、麥克斯韋等經(jīng)典物理學大師也是應用理想實驗的高手.如牛頓在《原理》一書當中，通過理想實驗的方法構(gòu)建出了一個“進入空間永不觸及地球”的石塊，形成了地球衛(wèi)星的模型；麥克斯韋將奧斯特和羅蘭實驗中的閉合力線與法拉第實驗中磁場的閉合力線都縮成一個點，提出了“位移電流”的概念［2］.

1.2.2理想實驗誘發(fā)了現(xiàn)代物理學革命

相對論和理子力學是現(xiàn)代物理學的兩大支柱，這兩個理論的建立也與理想實驗密切相關.在創(chuàng)立相論論的過程中，愛因斯坦將理想實驗的方法應用到了極致，如在提出著名的“光速悖論”時，愛因斯坦列舉了這樣的理想實驗：如果某人以光速度來追隨一束光，那他將看到不停震蕩但卻不向前運動的電磁場，但這并不符合麥克斯韋方程，也不符合人們的生活經(jīng)驗.這一“悖論”孕育出了狹義相對論.

在廣義相對論的創(chuàng)立過程中，愛因斯坦通過“升降機理想實驗”揭露了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量之間的相等關系，進而建立了廣義相對論的等效性原理.愛因斯坦還設想：升降機在不變力的作用下垂直向上運動，從側(cè)窗口水平射入升降機內(nèi)的光束所射到的點應該會比入口點稍微低一點，因此他預言引力的作用會使光發(fā)生彎曲.量子力學理論的建立也是以理想實驗為基礎的，比較具有代表性的有海森堡的理想顯微鏡實驗、電子束單縫衍射實驗和玻爾的理想顯微鏡實驗，限于篇幅在此就不再贅述.

1.2.3理想實驗補充并完善了已有理論

從物理學的發(fā)展史來看，理想實驗補充和完善了已有理論.19世紀初，熱機在生產(chǎn)當中的應用越來越廣泛，如何大幅度提高熱機的效率成為人們普遍關注的問題.法國工程師卡諾以理想實驗為基礎，提出了“卡諾循環(huán)”，通過兩個絕熱過程找到了熱機效率提高的途徑，為熱機效率的提高、也為熱力學第二定律的確立奠定了基礎.1871年，麥克斯韋假想將容器分為兩個部分，對由快分子和慢分子的單向運動而引起的溫度變化進行了討論，對熱力學第二定律提出了質(zhì)疑，使人們對熵的討論拓展到了智力、生命等領域［3］.

“薛定諤貓佯謬”的提出也是以理想實驗為基礎的.薛定諤設想，在密封的鋼室當中有一只貓，另有一與鋼室相連的毒氣釋放裝置，毒氣的釋放由兩束初旋狀態(tài)相同的電子引發(fā)，如果在電子必經(jīng)處的1點檢測到有電子，則釋放毒氣立即將貓致死；而如果在電子必經(jīng)處2點檢測到有電子則停止釋放毒氣.根據(jù)量子力學，點1和點2年檢測到電子的概率相同，因此我們無法確定貓的死活，也就是說貓將處于“非死非活”的中間狀態(tài)，這顯然是違背自然事實的.這一實驗引起人們對佯謬的討論，并一直持續(xù)到現(xiàn)在，人們對量子力學的理解和認識也在討論當中變得更加清晰.

2　理想實驗在高校物理實驗中的應用

根據(jù)心理學研究，我國的大學生當中，有近50%的人的物理思維處于具體運算階段，并呈現(xiàn)出了膚淺性、片面性和動搖性的特點.根據(jù)大學生的認知特點，物理教師應該以具體的事物為依托，盡可能地增強物理教學的直觀性和形象性，不斷地提升其認知水平.從實踐來看，以大學生已有經(jīng)驗為基礎，合理地設計理想實驗，是提高學生邏輯思維能力和理論研究能力的重要途徑.而理想實驗的設計則給教師提出了更高的要求，要求更多地采用形象思維和抽象思維相結(jié)合的方式，最大限度地引導學生建立并強化物理概念.

2.1消除大學生心理上對理想實驗的神秘感

我們可以通過理想實驗簡捷地得出正確結(jié)論，即設想觀察者（自己）置身于作自由落體運動的裝置上，拋這些小球的同時，這個裝置（自己）作自由落體運動，于是可以“觀察”到（想象出）這些小球相對自己作射向四面八方的勻速直線運動，并進一步可以“觀察”到（想象出）這些小球在空間構(gòu)成的圖案是以自己為圓心的球面.這個理想實驗的感性認識不難在日常生活中找到，這就是節(jié)日的夜晚燃放焰火，焰火的碎火星構(gòu)成的正是球面.

2.2結(jié)合課本中的物理學史實介紹科學先驅(qū)者

對有關問題的理想實驗的思辨過程和方式，以拓寬大學生的視野和啟迪大學生的智慧.如：哥白尼提出日心說；牛頓的拋體實驗；伽利略的理想斜面實驗；開普勒提出的夭體交通規(guī)則—開普勒三大運動定律；安培分子電流假說；對原子模型的認識從湯姆遜的棗糕模型到盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型，再到玻爾模型直至量子力學模型.

2.3應用理想實驗來輔助以真實實驗為基礎的理論推導

現(xiàn)代教學理論要求學生親自經(jīng)歷科學探究的過程，因此教學當中應該盡可能多地開展探究性物理實驗.但是由于實驗器材、實驗方法、實驗環(huán)境等不同，導致實驗中的系統(tǒng)誤差和偶然誤差各不相同，增加了實驗結(jié)果的不確定性，探究實驗教學的開展難度較大.相比而言，理想實驗則無需現(xiàn)實的實驗操作，且不受真實的實驗環(huán)境、實驗器材、實驗過程、實驗操作人員的影響，主要通過思維的方式在理想化的情況下展開，完全回避了對實驗誤差的討論，教學效率更高，應用到的物理思想和物理方法也更加明顯.

如，根據(jù)海森堡的測不準關系，不可能同時測量電場E和磁場B，我們可以根據(jù)經(jīng)典物理學的電磁震蕩實驗構(gòu)建如下的理想實驗來加以論證：由平行板電容器C和螺線管L構(gòu)成一個LC回路，將頻率為ω的偏振光投射到該LC回路上，使得電場E和平行板電容器的極板相垂直，磁場H與L的軸線平行，則當光滿足時，震蕩回路當中所產(chǎn)生的電流為I，則回路當中所儲存的能量則為；與此同時，回路中電子所具有的機械能則為.由能量守恒定律可知，所以有，由測不準關系有ΔpΔq≥h，因此ΔHΔE≥，也就是說，從量子理論出發(fā)，不可能同時準確測量電場E和磁場B.

2.4應用理想實驗來彌補定性實驗對數(shù)量關系討論的不足

物理教學的影響因素是多方面的.雖然現(xiàn)在各高校的實驗教學條件已經(jīng)較為完善，但仍有相當一部分物理實驗難以進行定量的觀測，仍在以定性實驗的方式來向?qū)W生闡釋各物理量之間的關系.因此，教師在教學中經(jīng)常會先以定量的方式給學生展示出定性實驗，然后以“大量精確的實驗表明……”來引出物理結(jié)論.這樣做不僅表述起來較為繁瑣，而且由于實驗當中較大的誤差而影響學生對物理結(jié)論的理解.而如果教師以理想實驗來替代真實實驗，以學生已有的知識經(jīng)驗來對物理量之間的關系進行推導演繹，學生接受起來就更為容易一些.

如，在討論圖1所示的密封玻璃管當中，當兩端氣體溫度發(fā)生變化時水銀高度差的變化進，就可以用如下的理想實驗來進行探究：讓兩側(cè)空氣的溫度均下降至零度，此時兩側(cè)空氣的壓強將處于0Pa，如此將不會存在壓強，U形管兩側(cè)的水銀面高度相等，高度差h=0.發(fā)現(xiàn)，水銀面高度差與管兩側(cè)空氣溫度具有明顯相關性，即管兩側(cè)空氣溫度越低，則水銀面高度差越??；反之管兩側(cè)空氣溫度越高，則水銀面高度差越大.

圖1　水銀的高度差變化圖

3　虛擬仿真實驗的優(yōu)勢及應用策略

3.1什么是虛擬仿真實驗

虛擬仿真實驗即以計算機虛擬實驗環(huán)境為依托，具備交互性和仿真性的軟件實驗平臺，人們也稱之為電子實驗或動態(tài)實驗.由于虛擬仿真實驗可以與真實實驗相互印證，可以完成生活中無法完成的實驗而頗受人們重視.目前，中南大學、廈門大學、中國人民大學、北京郵電大學等國內(nèi)知名高校都已經(jīng)建立起了網(wǎng)絡化的虛擬實驗平臺.

3.2虛擬仿真實驗的優(yōu)勢

誠然，作為一門自然學科，物理學特別重視以真實的器材和設備來研究和探討物理現(xiàn)象和物理過程，并通過真實的實驗來不斷地驗證、發(fā)展和豐富現(xiàn)有的物理學理論.但是受客觀條件限制，有些實驗，特別是理想化的實驗，我們是無法展開真實的實驗.以往人們只能通過不斷地思考，利用抽象思維來解決這一問題，而現(xiàn)在，則可以借助計算機軟件來模擬物理環(huán)境、實驗操作和實驗現(xiàn)象，給人以更加直觀和形象的感受.如我們可以通過軟件來虛擬出同人不斷增加運動速度時的長度和寬度，并同步展現(xiàn)在計算機屏幕上，這樣可以使更加直觀地理解相對論知識；而在現(xiàn)實生活中，不要說人以接近光速或數(shù)倍光速運動，就是同樣一個人同時以不同的速度運動也是不可能的.

與真實實驗相比，虛擬仿真實驗的優(yōu)勢突出表現(xiàn)為四點：首先，虛擬仿真實驗是以軟件平臺為基礎的，不需要專門的實驗場地，哪怕是公園、操場都可以瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒炇?，具有無可比擬的便捷性；其次，虛擬仿真實驗是借助仿真實驗室中預設的各種元件來完成的，無需專門配備實驗員，免去了實驗器材的購置和維護費用，節(jié)省了人力、物力和財力，具有顯而易見的廉價性；再次，虛擬仿真實驗可以隨心所欲地控制實驗過程，哪怕是在螺旋加速器中不斷加速的粒子，也可以通過點擊按鈕來使其停下來，對其進行分析，即仿真實驗具有出乎易料地可控性；最后，在虛擬仿真實驗平臺上，只需要建立物理模型，給系統(tǒng)輸入初始條件，計算機立即就會模擬物理過程，生成現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，并同時給出各種物理量之間的函數(shù)關系，這就使其具備了直觀性的特點.

但是，還應該看到，虛擬仿真實驗始終不能替代真實實驗.因為虛擬仿真實驗是在人們虛擬的環(huán)境中完成的，難以提供物質(zhì)世界特有的真實感和信服感.比如，再完美的虛擬仿真實驗也無法讓學生感受到電梯失重、帶電粒子在磁場中運動路徑偏轉(zhuǎn)等所帶來的刺激感.另外，由于虛擬仿真實驗的實驗結(jié)果一般無須誤差分析，對于學生分析和綜合能力的培養(yǎng)也是不利的［4］.

3.3虛擬仿真實驗的應用策略

3.3.1堅持從教學需要來決定是否應用仿真實驗

仿真物理實驗的優(yōu)勢和不足決定了其應用的局限性，必段根據(jù)實際教學需求來進行實際分析.在需要引用虛擬仿真實驗時，首先要反問自己如下幾個問題：除了仿真實驗之外，還有其他選擇嗎？其它的選擇是不是比仿真實驗更好？學生能否接受這種表現(xiàn)形象？怎樣才能更好地增進學生對物理實質(zhì)的認識？只有經(jīng)過這樣的思考之后，我們才能決定是否應用仿真實驗來輔助教學.

3.3.2引導學生經(jīng)歷完整的科學探究過程

物理是一門實驗學科，學生必定要通過物理實驗來體會科學探究過程.根據(jù)虛擬仿真實驗的特點，我們應該引導學生經(jīng)歷“提出問題、猜想假設、設計實驗、操作實驗、處理數(shù)據(jù)、分析論證、交流合作”等每一個環(huán)節(jié)，真正做到象科學家一樣思考.在學生操作實驗的過程中，教師應該積極地為學生提供指導性建議，引導學生探索求知領域.當學生完成一部分實驗時，則應該引導學生展示出自己學習當中存在的困難和障礙，通過師生共同討論來增強學生學習的自信心，提高學生的學習興趣和學習效率［5］.

參考文獻：

〔1〕張景生，謝星海.“理想實驗”與物理學的發(fā)展［J］.自然雜志，2000（4）：240-244.

〔2〕馬書民，吳興龍.物理學史上的著名理想實驗［J］.物理通報，2013（1）：116-120.

〔3〕姜富強，張楊，邢鍵，孫晶華.理想氣體狀態(tài)方程實驗儀［J］.物理實驗，2015（3）：40-42.

〔4〕田亞芳.大學物理網(wǎng)絡虛擬實驗的設計模式探究［J］.創(chuàng)新科技，2014（21）：26-27.

〔5〕鄭穎立.體驗式虛擬實驗研究［D］.華東師范大學，2008.

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）06-0008-03

收稿日期：2016-02-15