刘运春

（四川省宜宾市第二中学校）

摘要：物理是一门以观察和实验为基础的学科，实验在教学中，有利于激发学生学习物理的兴趣，有得于培养学生独立思维能力和实践操作技能，同时丰富了学生的课余生活，让他们反复品味到深刻的物理原理，有效的提高了课堂教育教学质量。

关键词：初中物理；理想实验；真实实验；思维方法

物理学是一门理论科学，更是一门精确的实验科学。物理学中的许多规律来自于实验，又需要大量实验来验证，最终才能发展为指导实践的依据。而理想实验又是一种什么样的实验呢？

一、什么是理想实验

所谓理想实验，就是并不实际进行实验操作，只是设想一套实验装置，并辅助以一定的假设作为前提和出发点，按照一系列理论进行推演，给出实验过程和状态的逻辑思维想法，采用已被大量事实所检验的物理规律或已被人们所普遍接受的物理理论和结论作为判别的标准，对实验的结论，逻辑性或假设的合理性进行分析，以得到有用的结论。理想实验又叫假想实验、思想实验、思维实验、想象实验或抽象实验，是人们在思想中塑造的理想的实验过程，是物理学中的专利和特有法宝。作为经典力学基础的惯性定律，就是理想实验的一个重要结论。这个结论是不能从实验中直接得出的。1632年伽利略在实验中注意到，当一个球从一个斜面滚下又滚上另一个斜面時，几乎可达到相同的高度。他断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如果能将摩擦完全消除的话，高度就会完全相等。随后，他又假设说，如果第二个斜面的斜度完全消除了，那么球从第一个斜面滚下后，将以恒定的速度在无限长的光滑斜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”这一类陈旧观念，这只是一个理想实验，因为摩擦是永远无法消除的。后来这个结论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。

二、理想实验与真实实验的区别

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。首先，真实的实验是方法，是加工手段，理想实验决不能替代它。理想实验中的普遍物理规律正是从大量真实实验中得来的。反过来真实实验也不可缺少理想实验的原理化总结。但在实验手段越来越发达的情况下，原来有些被认为只能作理论分析的理想实验逐渐变成可用真实的实验去逼近或实现。真实实验的精度不断提高，也趋近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，可依具体问题的需求和分析加以取舍，理想实验往往是真实实验的先驱。真实实验也在追逐理想实验。其次，理想实验中理论假说或理论推演的成分是很多的，甚至是主要的。但二者也有很大的不同。体现在理想实验方面是有两个最为显著的特点：一是理想实验要给出思维构想中的具体实验装置和状态，这种装置可以是模型化的。二是理想实验本身都包含着一个比较判别的特征环节，无论理想实验的运用多么灵活，都不会缺少这样一个至关重要的本质特征成分，如伽利略用不同逻辑演绎得出的悖论作为比较判别。与之相比，理论假说和理论推演则不需要一定给出具体的参考实验状态，重点在于数学推导和逻辑分析，在它本身工作中不需要一定有比较判别，通常是把所得的结论和预言再去和已知的实验结果或未来的实验验证去比较判别。因此二者有所区别。

理想实验在物理学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，会牵涉到诸多如仪器精密度、误差分析等大量烦琐的因素，而理想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，无论在微观还是在宏观上越来越多地进入了不能完全靠实验证实或证伪的领域。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这大量普通的思维假想实验洞悉了宇宙黑洞的奥秘。其次，近代物理实验的花费越来越大，有的周期也很长有些意义不大、可不做的实验从理想实验中分析优化出好的办法和方案；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。另外，理想实验能力的培养也是一个出色的物理学者提高思维技能、实验能力的必修科目。在物理的教学和学习过程中也是非常重要的一个环节。许多优秀的实验物理学家也都不仅在实际实验本领上独树一帜，而且在理想实验使用中也是独巨匠心。

三、理想化思维方法

理想化思维方法是思维主体运用非逻辑思维方法和逻辑思维方法相结合的思维方法，抓住事物性质的主要方面，剔除次要方面，塑造理想化实验过程、创造理想模型而从事科学创造的一种思维方法。

理想化思维方法包括在“假象实验”、“理想实验”、“抽象实验”和理想模型的具体的理想化过程之中。

恩格斯在《自然辨证法》中，曾经就卡诺研究蒸汽机的基本过程方法，对理想化思维方法进行了精辟的分析。卡诺提出，在理想情况下，热机循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成的，这就撇开了工质温度的变化以及工质和外界热量交换等次要因素；又提出理想循环是可逆的，这就略去了摩擦等不可逆的因素；还提出理想循环式封闭的，从而忽略掉真实热机工质在循环末了被系统抛弃、使循环非封闭的情况。经过这样的简化和纯化，就以纯粹的形态显露出热机的内部过程。尽管这样的理想循环是不可能真正实现的。恩格斯指出，卡诺“发现蒸汽机中的基本过程并不是以纯粹的形式出现，而是被各种各样的次要过程掩盖住了；于是他撇开了这些对主要过程无关重要的次要情况而设计了一部理想的蒸汽机（或煤气机），的确，这样一部机器就像几何学上的线和面一样是绝不可能制造出来的，但是它按照自己的方式起了像这些数学抽象所起的同样的作用：它表现纯粹的、独立的、真正的过程”。

总之，理想实验作为一种抽象思维方法，其精髓在于它是物理思想、数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。但理想实验的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验正确与否的标准。