大学物理实验在物理学中的作用

一.导言:

物理学本质上是一门实验科学。物理实验在物理学和物理教育的发展中起着重要的作用。可以说，没有物理实验就无法理解物理。正因为如此，在物理的研究和教学中，一直非常重视物理实验，从实验的设计、仪器的制作和调试，到实验过程的控制、实验结果的分析等环节，都强调一丝不苟。相比之下，与此相关的思想实验介绍并不多。因此，有必要对物理学中的思维实验进行纵向的历史考察和横向的比较研究。这对物理学的研究和教学是有帮助的。

二、思维实验的一般考察

伽利略是现代物理学的先驱。他对物理学做出了许多贡献。其中，他发现的落体定律和惯性定律为现代物理学提供了两个快速而坚实的基石。伽利略的成功得益于他率先采用科学的物理实验，更得益于他独创的物理实验与思想实验相结合的科学方法。伽利略的杰出工作表明，他不仅是物理学大师，而且是思想实验的先驱。

众所周知，长期以来，人们对力、运动等物理现象和规律的认识一直被亚里士多德的理论所束缚。亚里士多德认为，物体的速度是由是否受力和力的大小直接决定的；不同物体在地面上的下落速度不同；重的物体下落速度快，轻的物体下落速度慢。有人对他的错误说法提出过异议，但由于没有确切的实验和理论证明，没有得到重视。是伽利略成功地打破了亚里士多德的错误权威。伽利略巧妙地利用思想实验否定了这个统一了欧洲近两千年的错误理论。

物体下落的速度与其重量成正比。伽利略在他的《两种新科学的对话和数学证明》一书中写道:“我非常怀疑亚里士多德已经用实验验证了它。当两块石头，其中一块的重量是另一块的65，438+00倍，从同一高度，比如65，438+000肘落下时，速度差会达到这样的程度，即前者落地时，后者不超过65，438+00肘。”伽利略牢牢抓住了这个疑点，设计了一个思想实验来分析论证。他指出:如果亚里士多德的论断成立，即重的物体比轻的物体下落的速度快，那么当重的物体和轻的物体一起下落时，由于障碍物的速度慢，所以速度慢下来。慢的被快的加速，结果被系物的下落速度一定在原来两个物体之间，也就是小于原来重物的下落速度。但是，当两个物体绑在一起，就变成了一个复合体，比原来的重物更重。根据亚里士多德的论断，复合体的下落速度比原重物的下落速度快，与上述结论相矛盾。所以重的物体不会比轻的物体下落的快，它们下落的速度应该是相等的。正是这次思想实验，坚定了伽利略落体实验的信心和决心。

在否定了亚里士多德的落体定律后，伽利略对自由落体的运动做了进一步的定量研究。基于自由落体速度越来越快的定性观察，他假设自由落体是一种匀加速运动，并在1590-1592期间进行了大量的落体实验。但在当时的测试条件下，无法立即用实验证实这一假设，于是伽利略将思想实验与真实实验相结合，解决了这一问题。在数学的帮助下，他算出了距离s与从静止开始匀加速运动的时间t之间的关系，即s/t？=常数。此时不包含任何速率，直接测S和T即可。

然而，该物体的自由落体速度仍然太快，无法在当时准确测量。伽利略想用慢动作来测量，也就是用斜面代替落体实验。经过反复实验，获得了以下结果:

(1)当斜面倾角固定时，球滚过的距离S与所用时间t的平方之比是一个常数，即s/t？=c。

(2)改变斜面的倾斜度，s/t？的值是变化的，但球经过的距离与时间的平方成正比，只有比例常数变化。

伽利略用思想实验把这个结果推到了极致——当倾角为90？时间。也就是说，当物体自由落体时，这个论断也成立。他由此得出结论，自由落体运动是均匀加速的。

伽利略对自己独创的将物理实验与意识形态实验相结合的科学方法由衷地感到高兴。

伽利略之后，随着科学技术的发展和认知活动的深入，思想实验在物理学中得到了广泛而自觉的运用，出现了马赫、爱因斯坦等善于运用思想实验的物理学家。在物理学的各个分支中，产生了一些著名的思想实验。比如在力学上，马赫实验了“牛顿旋转桶”的思想。否定牛顿的绝对时空和绝对运动。量子力学中有证明粒子涨落的单电子衍射实验，能量势阱等思想实验，证明测不准关系的理想显微镜实验，电子束单缝衍射实验。相对论中有证明同时性相对性的“爱因斯坦列车”和“光子火箭”的思想实验等等。可以说，没有思想实验，物理学的发展是困难的，其理论体系也无法建立。

对此，爱因斯坦曾评价说“伽利略的发现和他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端”。

三、思维实验的基本特征

从物理学中思维实验的历史考察可以看出，思维实验是以真实实验的形式进行的复杂的思维和推理活动。其思想操作包括以下几个方面:(1)对从未进行过的或潜在可实现的实验的预期；(2)现实实验的理想化抽象或外推，即理想实验；(3)现实中不存在，与经验相矛盾，但逻辑上有意义，物理上有意义的抽象。这种思想实验操作，不用物化也能得到确定的结论。由此可见，物理学中的思维实验具有以下基本特征:

1，具有实验的可操作性。

思维实验不是实际的实验，之所以叫实验，是因为这种思维活动是按照实验的形式进行的，具有可操作性。r·哈利指出:“所谓的思维实验，是在想象中操作模型时形成的。”

思维实验的操作者根据自己的理解和思维，利用储存在头脑中的经验表征和语言材料，通过分析、想象、类比、猜测和逻辑推理，进行想象操作。

思维实验中使用的想象工具是想象主体作用于客体的基本手段。在确定同时性的程序定义时，爱因斯坦认为光是匀速直线传播的。检查两个相同时钟同步的程序是:测量两个时钟之间的距离，找到它们的中点，当他们的时钟指向七点时，给两个时钟袖手旁观的两个观察者将发出信号。如果两个信号在中点相遇，两个时钟将同步。

想象物体形象的变化是思维实验最重要的内容，也是思维实验操作的必然过程。想象主体和工具就是为此而存在的，在观察和作用于想象客体的过程中，暴露出所研究事物的本质和关系，从而达到思维实验的预定目的。

2，具有严密的逻辑。

在思想实验的过程中，逻辑推理是他的基本方向。物理学家在构思一个思想实验时，他的想象力是完全自由的:他可以根据自己的经验知识和当时的科学水平，充分联想到所研究的对象。联想从哪里来，往哪个方向延伸，也是随机的。当许多图像材料和经验表征在物理学家的头脑中浮现时，它们的发展和联系往往转向相关的概念和关系。这些概念和关系不仅关系到接下来的逻辑思维，也关系到构思前预定的目标。只要逻辑推理允许，它甚至接受那些违背“经验事实”或与既定“物理规律”相反的表象进入思想实验。

因此，思维实验的操作过程既是想象自由展开的过程，也是逻辑运动的过程。在这个过程中，逻辑起主导作用，引导和控制想象力，保持想象力丰富，但也不胡思乱想。想象为逻辑运动提供了可靠的物质基础，逻辑运动运行在想象提供的形象活动中。两者相辅相成，融为一体。

3.极具创造力。

物理学家思想实验的目的是揭示事物的内在规律性。因此，它的探索是前所未有的，也是极具创造性的。爱因斯坦和因菲尔德在《物理学的进化》中指出:“任何理论的目的都是为了指导我们认识新的情况，启发我们做新的实验，发现新的现象和规律。”思想实验也是如此。法国物理学家、工程师卡诺，在研究热效率和热机效率时，受到瀑布落差的启发，进行了“卡诺循环”的思想实验。他设想用两个理想的等温过程和两个理想的绝热过程来完成一个热力学循环。通过这样一个理想的热力学循环思想实验。卡诺得出热机的最高热效率等于T2-T1/T1，创造性地解决了热机效率问题。

第四，思维实验的积极作用

思想实验对物理学的发展有积极的作用，主要表现为:

1，强烈的质疑和批判作用

运用思维实验，往往从质疑传统理论入手，从而生动准确地揭露旧理论的缺陷，驳斥其错误。

当时在欧洲享有至高无上威望的亚里士多德总结了他的力学理论:当推动一个物体的力不再推动它时，原来运动的物体就会静止。这个理论统治了人们的思想两千多年。对此，伽利略提出质疑，并在斜面实验的基础上进行了一个思想实验，认为:“如果一个运动的物体具有一定的速度，只要没有外界原因使其速度增大或减小，它就会一直保持这个速度——这个条件只有在水平面上才有可能，因为如果它沿着斜面运动，向下的运动就有加速的原因，而向上的运动就有减速的原因。可以看出，只有水平面上的运动是不变的，因为如果速度不变，运动既不会减少，也不会消除。”在这里，伽利略正确地区分了亚里士多德的缺陷，提出了“惯性”的观点，得到了一个全新的力与速度变化关系的力学理论，从而否定了旧的力与速度关系本身的理论。

2、深刻认识创新的作用

思维实验的应用可以加深人们的认识，开拓新的研究方向，促进物理学的发展。

五、思维实验和真实实验的关系

思维实验和真实实验在原理上是有区别的:真实实验是一种科学实验活动。就是在尽可能排除许多外界影响，突出主要因素，并能详细观察它们之间的关系的条件下，使某件事(或过程)重演。起初，实验源于实践，高于实践，是发现和检验物理理论的唯一标准。思维实验是一种理性的思维活动。它不是脱离现实的主观想象，而是以现实为基础，按照实验的格式进行操作，对实践过程进行更深层次的抽象分析，其推理过程是基于一定的逻辑规律。它是一种相对独立的科学方法。

思维实验和真实实验密切相关，相辅相成。物理学中的理论和规律是从大量的实验事实中总结出来的，物理学中的假设和论证也依赖于真实实验的验证。在真实的实验中，物理为了获得对自然界的规律性认识，通过仪器设备对物体进行严格控制，进行有目的的改变。这样，真正实验开始前对实验过程的预期和设计，以及观察后对经验材料的分析和总结，都必须依靠一种理性的思考。有时这两者不可避免地交织在一起。真实实验为思想实验提供经验材料，思想实验对经验材料进行合理加工，为真实实验提供理论指导。这一点从伽利略发现落体定律和惯性定律的活动中可以看得很清楚。

在物理学研究中，思维实验可以成为一种不可替代的科学方法，它也以其科学思维的严谨性和准确性补充了真实实验的不足。

需要指出的是，现代物理学已经发展到理论科学阶段，认知活动越来越远离日常经验和人们的直觉，深入到无法直接感知的微观和宏观领域，事物的现象和本质的关系越来越复杂和隐蔽。物理研究活动所需的仪器设备越来越精良，理性思维的地位更加突出。思维实验作为一种科学方法，将在更广阔的领域得到应用。

不及物动词结论

对思维实验的调查和分析告诉我们，思维实验是深入物理研究和教学的重要方法之一。爱因斯坦指出:“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题可能只是一种数学或实验技能。提出新的问题，新的可能性，从新的角度看待老问题，需要创造性的想象力，它标志着科学的真正进步。”因此，要在真实实验的基础上，加强对思维实验的研究，启迪思维，把物理的研究引向深入，使教学引人入胜，更有成效。

参加考试，贡献力量

[1]a .爱因斯坦和l .英费尔德著《物理学的进化》，上海科学技术出版社，1962。

[2] T.S .库特:《思想实验的作用》，《必要的张力》，福建人民出版社，1981年。

[3] WI.B .贝费里奇:科学研究的艺术科学出版社，1979。

[4]高文武:《论思想实验》，《自然辩证法通讯》第2期，1982。

[5]《物理学史讲义集》，北京物理学会，1983。