關(guān)于理想斜面實(shí)驗(yàn)和斜面理想實(shí)驗(yàn)的探討

摘要：理想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要研究方法之一，伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)的理想兩字究竟該如何理解，理想兩字應(yīng)該置于“實(shí)驗(yàn)”之前還是“斜面”之前？本文通過(guò)研究理想實(shí)驗(yàn)的特征、查閱了國(guó)外原版教材中的名稱，給出了科學(xué)的答案。

關(guān)鍵詞：理想實(shí)驗(yàn);思想實(shí)驗(yàn);伽利略;斜面實(shí)驗(yàn)

伽利略的理想實(shí)驗(yàn)方法是物理學(xué)中一種重要的研究方法，對(duì)科學(xué)思維核心素養(yǎng)培養(yǎng)有著息息相關(guān)的作用。但是對(duì)于“理想實(shí)驗(yàn)”存在兩種不同的理解：第一種理解為“理想斜面”——即將不存在摩擦力，絕對(duì)光滑的斜面稱之為理想斜面，而伽利略的結(jié)論就是基于理想斜面才能成立的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是在理想的斜面上做實(shí)驗(yàn)，故第一種叫做“理想斜面實(shí)驗(yàn)”;第二種理解為“思想實(shí)驗(yàn)”——即在頭腦中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并非真正的實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是依靠想象力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也叫想象實(shí)驗(yàn)。故將第二種理解稱為“斜面理想實(shí)驗(yàn)”。

龐惠華和章強(qiáng)在提出了牛頓第一定律的教學(xué)中，“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”是最核心的內(nèi)容，而上?？茖W(xué)技術(shù)出版社（下稱上科版）的高中一年級(jí)第一學(xué)期物理教材（2007版）的第74頁(yè)，明確寫(xiě)出了“伽利略的斜面理想實(shí)驗(yàn)”的小標(biāo)題，提出“理想實(shí)驗(yàn)又叫想像實(shí)驗(yàn)，它以可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)，突出主要因素，忽略次要因素，通過(guò)抽象思維深刻揭示自然規(guī)律?！?/p>

“理想斜面實(shí)驗(yàn)”和 “斜面理想實(shí)驗(yàn)”兩種說(shuō)法，“理想”兩字的位置不同，含義更不同，哪種叫法是準(zhǔn)確的？

“理想斜面”是基于物理學(xué)中“物理模型”或“理想模型”延伸出來(lái)的概念，高中所學(xué)的“質(zhì)點(diǎn)”、“理想氣體”、“點(diǎn)電荷”等物理模型都是抓住主要矛盾，忽略了次要因素，而抽象出來(lái)的概念。而“理想實(shí)驗(yàn)”，又叫做“假想實(shí)驗(yàn)”、“抽象的實(shí)驗(yàn)”或“思想上的實(shí)驗(yàn)”，它是人們?cè)谒枷胫兴茉斓睦硐脒^(guò)程，是一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法。 “理想實(shí)驗(yàn)”雖然也叫做“實(shí)驗(yàn)”，但并非真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐的活動(dòng)，而“理想實(shí)驗(yàn)”則是一種思維的活動(dòng);前者是可以將設(shè)計(jì)通過(guò)物化過(guò)程而實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，后者則是由人們?cè)诔橄笏季S中設(shè)想出來(lái)而實(shí)際上無(wú)法做到的“實(shí)驗(yàn)”。理想實(shí)驗(yàn)是以可靠事實(shí)為基礎(chǔ)的，并非是無(wú)依據(jù)的猜測(cè)。

秦謹(jǐn)瓊、錢(qián)長(zhǎng)炎指出，思想實(shí)驗(yàn)即用想象的裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。它本質(zhì)上屬于一種思維方式，一種特殊的科學(xué)工具。思想實(shí)驗(yàn)可以劃分為五個(gè)階段。許瑩瑩提出了理想實(shí)驗(yàn)分成了兩類(lèi)，即常見(jiàn)情境的理想實(shí)驗(yàn)和特殊情境的理想實(shí)驗(yàn)。

世界上有很多思想實(shí)驗(yàn)的例子，比如說(shuō)“愛(ài)因斯坦的光線”，愛(ài)因斯坦著名的狹義相對(duì)論是受啟于他16歲做的思想實(shí)驗(yàn)。在他的自傳中，愛(ài)因斯坦回憶道他當(dāng)時(shí)幻想在宇宙中追尋一道光線。他推理說(shuō)，如果他能夠以光速在光線旁邊運(yùn)動(dòng)，那么他應(yīng)該能夠看到光線成為“在空間上不斷振蕩但停滯不前的電磁場(chǎng)”。對(duì)于愛(ài)因斯坦，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)證明了對(duì)于這個(gè)虛擬的觀察者，所有的物理定律應(yīng)該和一個(gè)相對(duì)于地球靜止的觀察者觀察到的一樣。

再比如說(shuō)，“薛定諤的貓”。薛定諤之貓最早由物理學(xué)家薛定諤提出，是量子力學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)悖論。其內(nèi)容是：一只貓、一些放射性元素和一瓶毒氣一起被封閉在一個(gè)盒子里一個(gè)小時(shí)。在一個(gè)小時(shí)內(nèi)，放射性元素衰變的幾率為50%。如果衰變，那么一個(gè)連接在蓋革計(jì)數(shù)器上的錘子就會(huì)被觸發(fā)，并打碎瓶子，釋放毒氣，殺死貓。因?yàn)檫@件事會(huì)否發(fā)生的概率相等，薛定鍔認(rèn)為在盒子被打開(kāi)前，盒子中的貓被認(rèn)為是既死又活的。可見(jiàn)思想實(shí)驗(yàn)與什么理想化條件沒(méi)有任何聯(lián)系。沒(méi)有理想化條件，一樣可以進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)。

所以，物理學(xué)中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)是一件非常普遍而有趣的事情，甚至我們?cè)谏钪幸步?jīng)常做思想實(shí)驗(yàn)，比如說(shuō)“先救誰(shuí)？”的思想實(shí)驗(yàn)，妻子問(wèn)丈夫，如果我和你母親一起掉進(jìn)了河里，你先救誰(shuí)？

再用外國(guó)的原版教材來(lái)佐證我們的想法，如果是理想斜面實(shí)驗(yàn)，則應(yīng)該翻譯成“ideal slope experiment”，其中必定會(huì)有ideal（理想的）這個(gè)單詞，如果是斜面理想實(shí)驗(yàn)，則側(cè)重于進(jìn)行想象的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)前出現(xiàn)諸如thinking（思考），thought（思想）等單詞，加拿大尼爾森版《Physics 11》中的第二章59頁(yè)中提到了牛頓第一定律實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容如下

Prior to the 1600s， most natural philosophers （early scientists） held a simplistic view of motion. They believed that a constant force was needed to produce constant velocity. Increasing the force caused increased velocity. Decreasing the force caused decreased velocity. Removing the force caused the velocity to become zero. Galileo， the Renaissance physicist， questioned this view. Galileo performed real experiments with a ball rolling down and up sloped ramps. He also performed virtual experiments （thought experiments） to try to explain his ideas. Galileos virtual experiments（虛擬實(shí)驗(yàn)） are illustrated in Figure 1.

Whitaker和Robert J在Aristotle is not dead： Student understanding of trajectory motion中說(shuō)道：“Six questions on trajectory motion， based on Galileos thought experiments（思想實(shí)驗(yàn)）‘ in his Dialogue Concerning The Two Chief World Systems， were given to students in several different introductory Physics classes. ”文中出現(xiàn)了thought experiments的詞匯。

上述兩篇文章中出現(xiàn)的兩種說(shuō)法與思想實(shí)驗(yàn)更加貼近，通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知“thought experiments”來(lái)源自德語(yǔ)gedanken experiments，譯作思想實(shí)驗(yàn)。

總結(jié)：理想實(shí)驗(yàn)是在思想中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以用形象的圖片等把自己的思想表現(xiàn)出來(lái)，但無(wú)論有沒(méi)有圖片，都與實(shí)物實(shí)驗(yàn)有區(qū)別?！靶泵胬硐雽?shí)驗(yàn)”的名稱更符合語(yǔ)言習(xí)慣，即在斜面上的思想實(shí)驗(yàn)，而若叫做“理想斜面實(shí)驗(yàn)”會(huì)導(dǎo)致學(xué)生甚至老師的誤解。

參考文獻(xiàn)

[1]龐惠華，章強(qiáng).幾種“ 伽利略斜面實(shí)驗(yàn)”教學(xué)設(shè)計(jì)的比較和改進(jìn)[J].物理通報(bào)，2019，38（11）：71-73.

[2] 高中物理第一年級(jí)第一冊(cè)物理課本.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社（2007版）[s].

[3]秦瑾瓊，錢(qián)長(zhǎng)炎.基于思想實(shí)驗(yàn)的高中物理“宇宙航行”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2019，37（06）：28-30+33.

[4]許瑩瑩. 中學(xué)物理“理想實(shí)驗(yàn)”教學(xué)策略研究[D].廣西師范大學(xué)，2014.

[5]Maurice DiGiuseppe，Chirstopher T.Howes， et al. Nelson Physics 11， Toronto，Canada，2011.

[6]Whitaker， Robert J . Aristotle is not dead： Student understanding of trajectory motion[J]. American Journal of Physics， 1983， 51（4）：352.

作者簡(jiǎn)介

張志民（1976年4月-），男，漢族，上海，中級(jí)，碩士研究生，單位、：上海市閔行中學(xué)，研究方向：課程與教學(xué)論。