理想实验及其功能探讨

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1、理想实验及其功能探讨　　理想实验，作为一种重要的研究方法，已经渗透到现行中学物理教科书中，但对“理想实验(Thoughtexperiment)”的定义、跟真实实验的关系、在科学研究中的作用及其在物理教学中的地位，尚有不同的看法，本文就此谈点个人见解，以供参考。　　理想实验是科学工作者源于自身的经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，是在真实科学实验基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过程作出更深入一层的抽象分析，这些分析必须以不违背那些为长期的科学实践所证明的逻辑规范为原则，“理想实验”也需要自己的“实验仪器”，只不过这种

2、“实验仪器”在当时是不存在的，它表现为超越当时的科技发展水平。　　“理想实验”虽然也叫“实验”，但它同真实的实验是有原则区别的。　　真实的实验是一种科学实践活动，而理想实验则是一种思维活动；真实的实验是可以将设计通过物化过程而实现的实验，理想实验则是由人们在抽象思维中设想出来，而当时实际上无法做到的实验。　　理想实验在一定的条件下可以转化为真实实验。　　在一个时期表现为超越现实的理想实验，随着时间的推移以及科技的发展，将有可能成为真实实验，也就是说理想实验并不是绝不可能实现的。例如：牛顿曾在《自然哲学的数学原理》中，描述了从高山

3、顶上平抛一个铅球的理想实验，他设想，当发射速度足够大时，铅球将可能绕地球运动而不再落回地面，这在牛顿时代是不可能实现的。而在今天，人造卫星的成功发射，从某种意义上可以认为是对牛顿预见的证实。再如：关于运动时钟延缓的结论，爱因斯坦创立相对论时，是由一种理想实验推导出来的，但到了1971年，美国的哈弗尔(Hafel)和凯丁(keating)作了实验，他们把四只铯原子钟放到飞机上，在赤道平面附近高速度向东及向西飞行，也就说相对于地球的速度不同，当飞机分别绕地球航行一周回到地面的出发点时，与一直静止放在那里的铯原子钟对时间，结果表明，处

4、在向东飞行的飞机上的钟，其读数平均慢了59×10-9，处在向西飞行的飞机上的钟，平均快了273×10-9秒，这种实验结果与相对论理论计算值在10%的误差范围内完全一致。这个实验，一方面检验了狭义相对论的正确性，另一方面也说明了人们已将前人理想实验转化成了真实实验。　　自然科学的理论研究中，理想实验具有重要的作用，作为一种抽象思维的方法，可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑联系。对于推翻旧的不合理理论、建立新的正确理论，起着重要的推动作用。　　“惯性定律”就是理想实验的一个重要结论，伽利略曾注意到，当球从一个斜面上滚下而又

5、滚上另一个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上滚下的高度几乎相等，伽利略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等，然后，他推想说。在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度，最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么，球从第一个斜面上滚下来后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去，这个实验是一个理想实验，因为无法将摩擦完全消除，但是，伽利略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来一千多年间关于受力运动的物体，

6、当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础，后来这个结论被牛顿总结为第一运动定律，即惯性定律。　　爱因斯坦曾多次自觉地利用理想实验，创立新的理论，他在建立广义相对论时，作了自由下落的升降机理想实验，他设想：在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果无任何阻力，那么在他自己看来，这两个物体就停在他松开手的地方。由此，爱因斯坦得出结论：处在“自由下落电梯”中的观察者将不可能通过其它任何物理实验来发现引力，即在这个特定的“电梯”参照系中，引力被消除了，这个理想实验帮助爱因斯

7、坦创立了广义相对论。　　理想实验有时还能对相关的新兴学科的创立及其发展发挥非常重要的作用。　　以英国物理学家麦克斯韦的名字命名的“麦克斯韦妖”理想实验就是典型，麦克斯韦指出：“如果我们设想一生灵，其官能是如此敏锐得以追踪每一个运动中的分子，这一生灵，虽则其本领仍然和我们一样有限，将能做出我们所做不到的事情，因为我们已经注意到处于等温状态装满空气的器皿之中，分子的运动速度并不均一，虽则任取大量分子的平均速度是均一的，现在我们设想容器分为A、B两部分，如图1所示，在界壁上留一个小孔，而一个能够看到单个分子的生灵开关这一小孔，只令快速

8、分子从A进入B，而慢速分子从B进入A，这样他无需做功便使B的温度升高，使A的温度降低，与热力学第二定律产生矛盾。”此理想实验不仅在物理学的发展中扮演了相当重要的角色，它以鲜明的图象，澄清了热力学第二定律的一些疑团，更重要的是指出了熵与信息之间的联系，成为信息论这