梁一機(jī)（廣東石油化工學(xué)院　理學(xué)院，廣東　茂名　525000）

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理想實(shí)驗(yàn)在高校物理實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用探析

梁一機(jī)
（廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院，廣東茂名525000）

摘要：從高校物理教學(xué)來(lái)看，只有結(jié)合課本中的物理學(xué)史實(shí)介紹科學(xué)先驅(qū)者，消除大學(xué)生心理上對(duì)理想實(shí)驗(yàn)的神秘感才能使學(xué)生更好地掌握理想實(shí)驗(yàn)的方法.目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為開(kāi)展理想實(shí)驗(yàn)提供了便利，但考慮到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足，必須堅(jiān)持從教學(xué)需要來(lái)決定是否應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)，必須引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過(guò)程.

關(guān)鍵詞：理想實(shí)驗(yàn)；虛擬實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

1　引言

1.1理想實(shí)驗(yàn)的概念

理想實(shí)驗(yàn)是一種重要的理論研究方法，是以真實(shí)的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)研究活動(dòng)的創(chuàng)造性思維形式.由于理想實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的深層次的抽象分析，根據(jù)已經(jīng)被實(shí)踐所證實(shí)的邏輯法則來(lái)進(jìn)行思考和分析，雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，但由于突出了其中的主要矛盾，而忽略了次要矛盾，仍會(huì)獲得基于現(xiàn)實(shí)而又高于現(xiàn)實(shí)的效果.

1.2理想實(shí)驗(yàn)的作用

從物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，理想實(shí)驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)理論的建立、補(bǔ)充和完善的例子舉不勝舉.可以說(shuō)，沒(méi)有理想實(shí)驗(yàn)，人們的認(rèn)識(shí)和思維就無(wú)法超越現(xiàn)實(shí)的束縛，就無(wú)法建立起如此完善的物理學(xué)體系［1］.

1.2.1理想實(shí)驗(yàn)建立和發(fā)展了經(jīng)典物理學(xué)理論

從一定意義上來(lái)說(shuō)，經(jīng)典物理學(xué)是與理想實(shí)驗(yàn)相伴而生的.在16世紀(jì)之前，亞里士多德關(guān)于運(yùn)動(dòng)的描述和解釋一直占據(jù)著統(tǒng)治地位，是伽利略通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)亞里士多德的理論提出了挑戰(zhàn).伽利略設(shè)想：根據(jù)亞里士多德的落體理論，如果將輕重不同的兩個(gè)物體連接起來(lái)并從高處拋下，其速度應(yīng)該比兩個(gè)物體的下落速度都快（因?yàn)槠滟|(zhì)量比兩個(gè)物體都大）；從另一個(gè)角度來(lái)想，復(fù)合物的質(zhì)量會(huì)因?yàn)閮晌锏南嗷砍抖缬谳^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(gè)相互矛盾的結(jié)論，引導(dǎo)人們沖破了亞里士多德思想的束縛，為控自然科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了道路.此外，伽利略還以小球在斜面上的滾動(dòng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)想如果小球從斜面上滑下來(lái)，進(jìn)入到?jīng)]有摩擦力的水平面，將會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，使人們對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系有了清楚的認(rèn)識(shí)，并為慣性定律的得出奠定了基礎(chǔ).

此后，牛頓、麥克斯韋等經(jīng)典物理學(xué)大師也是應(yīng)用理想實(shí)驗(yàn)的高手.如牛頓在《原理》一書(shū)當(dāng)中，通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)的方法構(gòu)建出了一個(gè)“進(jìn)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(shí)驗(yàn)中的閉合力線與法拉第實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)的閉合力線都縮成一個(gè)點(diǎn)，提出了“位移電流”的概念［2］.

1.2.2理想實(shí)驗(yàn)誘發(fā)了現(xiàn)代物理學(xué)革命

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

在廣義相對(duì)論的創(chuàng)立過(guò)程中，愛(ài)因斯坦通過(guò)“升降機(jī)理想實(shí)驗(yàn)”揭露了引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量之間的相等關(guān)系，進(jìn)而建立了廣義相對(duì)論的等效性原理.愛(ài)因斯坦還設(shè)想：升降機(jī)在不變力的作用下垂直向上運(yùn)動(dòng)，從側(cè)窗口水平射入升降機(jī)內(nèi)的光束所射到的點(diǎn)應(yīng)該會(huì)比入口點(diǎn)稍微低一點(diǎn)，因此他預(yù)言引力的作用會(huì)使光發(fā)生彎曲.量子力學(xué)理論的建立也是以理想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，比較具有代表性的有海森堡的理想顯微鏡實(shí)驗(yàn)、電子束單縫衍射實(shí)驗(yàn)和玻爾的理想顯微鏡實(shí)驗(yàn)，限于篇幅在此就不再贅述.

1.2.3理想實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充并完善了已有理論

從物理學(xué)的發(fā)展史來(lái)看，理想實(shí)驗(yàn)補(bǔ)充和完善了已有理論.19世紀(jì)初，熱機(jī)在生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何大幅度提高熱機(jī)的效率成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題.法國(guó)工程師卡諾以理想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出了“卡諾循環(huán)”，通過(guò)兩個(gè)絕熱過(guò)程找到了熱機(jī)效率提高的途徑，為熱機(jī)效率的提高、也為熱力學(xué)第二定律的確立奠定了基礎(chǔ).1871年，麥克斯韋假想將容器分為兩個(gè)部分，對(duì)由快分子和慢分子的單向運(yùn)動(dòng)而引起的溫度變化進(jìn)行了討論，對(duì)熱力學(xué)第二定律提出了質(zhì)疑，使人們對(duì)熵的討論拓展到了智力、生命等領(lǐng)域［3］.

“薛定諤貓佯謬”的提出也是以理想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的.薛定諤設(shè)想，在密封的鋼室當(dāng)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(diǎn)檢測(cè)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(diǎn)檢測(cè)到有電子則停止釋放毒氣.根據(jù)量子力學(xué)，點(diǎn)1和點(diǎn)2年檢測(cè)到電子的概率相同，因此我們無(wú)法確定貓的死活，也就是說(shuō)貓將處于“非死非活”的中間狀態(tài)，這顯然是違背自然事實(shí)的.這一實(shí)驗(yàn)引起人們對(duì)佯謬的討論，并一直持續(xù)到現(xiàn)在，人們對(duì)量子力學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)也在討論當(dāng)中變得更加清晰.

2　理想實(shí)驗(yàn)在高校物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

根據(jù)心理學(xué)研究，我國(guó)的大學(xué)生當(dāng)中，有近50%的人的物理思維處于具體運(yùn)算階段，并呈現(xiàn)出了膚淺性、片面性和動(dòng)搖性的特點(diǎn).根據(jù)大學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，物理教師應(yīng)該以具體的事物為依托，盡可能地增強(qiáng)物理教學(xué)的直觀性和形象性，不斷地提升其認(rèn)知水平.從實(shí)踐來(lái)看，以大學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，合理地設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)，是提高學(xué)生邏輯思維能力和理論研究能力的重要途徑.而理想實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生建立并強(qiáng)化物理概念.

2.1消除大學(xué)生心理上對(duì)理想實(shí)驗(yàn)的神秘感

我們可以通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)捷地得出正確結(jié)論，即設(shè)想觀察者（自己）置身于作自由落體運(yùn)動(dòng)的裝置上，拋這些小球的同時(shí)，這個(gè)裝置（自己）作自由落體運(yùn)動(dòng)，于是可以“觀察”到（想象出）這些小球相對(duì)自己作射向四面八方的勻速直線運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)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(gè)理想實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)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(xué)史實(shí)介紹科學(xué)先驅(qū)者

對(duì)有關(guān)問(wèn)題的理想實(shí)驗(yàn)的思辨過(guò)程和方式，以拓寬大學(xué)生的視野和啟迪大學(xué)生的智慧.如：哥白尼提出日心說(shuō)；牛頓的拋體實(shí)驗(yàn)；伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)；開(kāi)普勒提出的夭體交通規(guī)則—開(kāi)普勒三大運(yùn)動(dòng)定律；安培分子電流假說(shuō)；對(duì)原子模型的認(rèn)識(shí)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(xué)模型.

2.3應(yīng)用理想實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的理論推導(dǎo)

現(xiàn)代教學(xué)理論要求學(xué)生親自經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，因此教學(xué)當(dāng)中應(yīng)該盡可能多地開(kāi)展探究性物理實(shí)驗(yàn).但是由于實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等不同，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差和偶然誤差各不相同，增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性，探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展難度較大.相比而言，理想實(shí)驗(yàn)則無(wú)需現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，且不受真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作人員的影響，主要通過(guò)思維的方式在理想化的情況下展開(kāi)，完全回避了對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的討論，教學(xué)效率更高，應(yīng)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(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，不可能同時(shí)測(cè)量電場(chǎng)E和磁場(chǎng)B，我們可以根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的電磁震蕩實(shí)驗(yàn)構(gòu)建如下的理想實(shí)驗(yàn)來(lái)加以論證：由平行板電容器C和螺線管L構(gòu)成一個(gè)LC回路，將頻率為ω的偏振光投射到該LC回路上，使得電場(chǎng)E和平行板電容器的極板相垂直，磁場(chǎng)H與L的軸線平行，則當(dāng)光滿足時(shí)，震蕩回路當(dāng)中所產(chǎn)生的電流為I，則回路當(dāng)中所儲(chǔ)存的能量則為；與此同時(shí)，回路中電子所具有的機(jī)械能則為.由能量守恒定律可知，所以有，由測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系有ΔpΔq≥h，因此ΔHΔE≥，也就是說(shuō)，從量子理論出發(fā)，不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量電場(chǎng)E和磁場(chǎng)B.

2.4應(yīng)用理想實(shí)驗(yàn)來(lái)彌補(bǔ)定性實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)量關(guān)系討論的不足

物理教學(xué)的影響因素是多方面的.雖然現(xiàn)在各高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件已經(jīng)較為完善，但仍有相當(dāng)一部分物理實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行定量的觀測(cè)，仍在以定性實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)向?qū)W生闡釋各物理量之間的關(guān)系.因此，教師在教學(xué)中經(jīng)常會(huì)先以定量的方式給學(xué)生展示出定性實(shí)驗(yàn)，然后以“大量精確的實(shí)驗(yàn)表明……”來(lái)引出物理結(jié)論.這樣做不僅表述起來(lái)較為繁瑣，而且由于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中較大的誤差而影響學(xué)生對(duì)物理結(jié)論的理解.而如果教師以理想實(shí)驗(yàn)來(lái)替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，以學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)物理量之間的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)演繹，學(xué)生接受起來(lái)就更為容易一些.

如，在討論圖1所示的密封玻璃管當(dāng)中，當(dāng)兩端氣體溫度發(fā)生變化時(shí)水銀高度差的變化進(jìn)，就可以用如下的理想實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行探究：讓兩側(cè)空氣的溫度均下降至零度，此時(shí)兩側(cè)空氣的壓強(qiáng)將處于0Pa，如此將不會(huì)存在壓強(qiáng)，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(guān)性，即管兩側(cè)空氣溫度越低，則水銀面高度差越?。环粗軆蓚?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(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用策略

3.1什么是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)即以計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境為依托，具備交互性和仿真性的軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，人們也稱之為電子實(shí)驗(yàn)或動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn).由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相互印證，可以完成生活中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)而頗受人們重視.目前，中南大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、北京郵電大學(xué)等國(guó)內(nèi)知名高校都已經(jīng)建立起了網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

3.2虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

誠(chéng)然，作為一門(mén)自然學(xué)科，物理學(xué)特別重視以真實(shí)的器材和設(shè)備來(lái)研究和探討物理現(xiàn)象和物理過(guò)程，并通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)不斷地驗(yàn)證、發(fā)展和豐富現(xiàn)有的物理學(xué)理論.但是受客觀條件限制，有些實(shí)驗(yàn)，特別是理想化的實(shí)驗(yàn)，我們是無(wú)法展開(kāi)真實(shí)的實(shí)驗(yàn).以往人們只能通過(guò)不斷地思考，利用抽象思維來(lái)解決這一問(wèn)題，而現(xiàn)在，則可以借助計(jì)算機(jī)軟件來(lái)模擬物理環(huán)境、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，給人以更加直觀和形象的感受.如我們可以通過(guò)軟件來(lái)虛擬出同人不斷增加運(yùn)動(dòng)速度時(shí)的長(zhǎng)度和寬度，并同步展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，這樣可以使更加直觀地理解相對(duì)論知識(shí)；而在現(xiàn)實(shí)生活中，不要說(shuō)人以接近光速或數(shù)倍光速運(yùn)動(dòng)，就是同樣一個(gè)人同時(shí)以不同的速度運(yùn)動(dòng)也是不可能的.

與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)突出表現(xiàn)為四點(diǎn)：首先，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是以軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)的，不需要專門(mén)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，哪怕是公園、操場(chǎng)都可以瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)室，具有無(wú)可比擬的便捷性；其次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是借助仿真實(shí)驗(yàn)室中預(yù)設(shè)的各種元件來(lái)完成的，無(wú)需專門(mén)配備實(shí)驗(yàn)員，免去了實(shí)驗(yàn)器材的購(gòu)置和維護(hù)費(fèi)用，節(jié)省了人力、物力和財(cái)力，具有顯而易見(jiàn)的廉價(jià)性；再次，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以隨心所欲地控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程，哪怕是在螺旋加速器中不斷加速的粒子，也可以通過(guò)點(diǎn)擊按鈕來(lái)使其停下來(lái)，對(duì)其進(jìn)行分析，即仿真實(shí)驗(yàn)具有出乎易料地可控性；最后，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，只需要建立物理模型，給系統(tǒng)輸入初始條件，計(jì)算機(jī)立即就會(huì)模擬物理過(guò)程，生成現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，并同時(shí)給出各種物理量之間的函數(shù)關(guān)系，這就使其具備了直觀性的特點(diǎn).

但是，還應(yīng)該看到，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)始終不能替代真實(shí)實(shí)驗(yàn).因?yàn)樘摂M仿真實(shí)驗(yàn)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(shí)感和信服感.比如，再完美的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也無(wú)法讓學(xué)生感受到電梯失重、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)路徑偏轉(zhuǎn)等所帶來(lái)的刺激感.另外，由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般無(wú)須誤差分析，對(duì)于學(xué)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(shí)驗(yàn)的應(yīng)用策略

3.3.1堅(jiān)持從教學(xué)需要來(lái)決定是否應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)

仿真物理實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和不足決定了其應(yīng)用的局限性，必段根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求來(lái)進(jìn)行實(shí)際分析.在需要引用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要反問(wèn)自己如下幾個(gè)問(wèn)題：除了仿真實(shí)驗(yàn)之外，還有其他選擇嗎？其它的選擇是不是比仿真實(shí)驗(yàn)更好？學(xué)生能否接受這種表現(xiàn)形象？怎樣才能更好地增進(jìn)學(xué)生對(duì)物理實(shí)質(zhì)的認(rèn)識(shí)？只有經(jīng)過(guò)這樣的思考之后，我們才能決定是否應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)輔助教學(xué).

3.3.2引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過(guò)程

物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，學(xué)生必定要通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)體會(huì)科學(xué)探究過(guò)程.根據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，我們應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“提出問(wèn)題、猜想假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、分析論證、交流合作”等每一個(gè)環(huán)節(jié)，真正做到象科學(xué)家一樣思考.在學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師應(yīng)該積極地為學(xué)生提供指導(dǎo)性建議，引導(dǎo)學(xué)生探索求知領(lǐng)域.當(dāng)學(xué)生完成一部分實(shí)驗(yàn)時(shí)，則應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生展示出自己學(xué)習(xí)當(dāng)中存在的困難和障礙，通過(guò)師生共同討論來(lái)增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率［5］.

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〔5〕鄭穎立.體驗(yàn)式虛擬實(shí)驗(yàn)研究［D］.華東師范大學(xué)，2008.

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）06-0008-03

收稿日期：2016-02-15