人類思想史上的瑰寶 理想實驗

楊明

摘要：物理是一門建立在實驗上的學(xué)科，理想實驗是有別于現(xiàn)實實驗的一種實驗方法，實驗條件要求不高，但成果顯著。16世紀意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略最早提出這種實驗方法，并借此方法否定了亞里士多德的落體理論和運動理論，是人類思想史上的瑰寶，高中物理教師可以加強理想實驗的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)和活躍的創(chuàng)造性思維能力，以提高課堂教學(xué)的效果。

關(guān)鍵詞：理想實驗;伽利略;高中物理

物理是一門建立在實驗上的學(xué)科，理論的發(fā)展只有經(jīng)過實驗的證實，才能夠被人們放心地應(yīng)用到生產(chǎn)實踐當(dāng)中去，但生活中也不是所有的實驗都能在實驗室完成，比如理想實驗。理想實驗是基于部分生活經(jīng)驗或者事實，再進行邏輯推理的思維過程為主的實驗，還可以叫做思想實驗、思維實驗、假想實驗。也就是通過人們的思維，依據(jù)理想化的條件進行推演來得出結(jié)論的方法。而理想實驗的創(chuàng)始人，是16世紀意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略。

一、伽利略通過理想實驗指出：重的物體和輕的物體下落一樣快

現(xiàn)在的高一學(xué)生都會在物理課堂上接觸到這一段歷史，2000多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德通過自己對世界的觀察和思考，在他的老師柏拉圖提出的四元素幾何化的基礎(chǔ)上，將四元素說發(fā)展成為一種體系，再在四元素論的基礎(chǔ)上提出了物體的運動可分為兩類，一種是“自然而然的運動”，比如水往低處流;一種是“被強迫的運動"，比如自行車被推著才能走。他由此得出，質(zhì)量大的物體從上空落下和質(zhì)量輕的物體從地面上升是一種“自然運動”，如果外界違背物體的“自然本意"使其做其它運動，就必須依靠外力，一但施加的外力撤去，這種不以其“自然本意”為意志的運動就會停止，物體將再回到“自然運動”狀態(tài)。亞里士多德的這些觀點中還包含有：重的物體比輕的物體下落的更快的思想。

伽利略非常聰明，通過理想實驗，使亞里士多德的落體理論站不住了，雖然亞里士多德的“錯誤”結(jié)論束縛了歐洲科學(xué)界近兩千年的。 現(xiàn)在的中學(xué)生都明白：“重的物體比輕的物體下落的更快”的錯誤很明顯，但在當(dāng)時，何對亞里士多德落體運動理論的質(zhì)疑都將被視為影響自然哲學(xué)基本理論的哲學(xué)問題而絕不僅僅是一個普通的力學(xué)問題。[1]對于伽利略來說，能夠不為權(quán)威所限制秉承懷疑一切的精神，大膽的創(chuàng)新，深入的思考，而總結(jié)形成的一套非常有力的邏輯實驗方法，是非常了得的。伽利略無疑吹響了自然科學(xué)為擺脫亞里士多德思想桎梏而進行的一場大革命的沖鋒號角。

二、伽利略通過理想斜面實驗指出：力不是維持物體運動的原因

在通過理想實驗向亞里士多德的落體運動定律發(fā)出挑戰(zhàn)之后，伽利略仿佛發(fā)現(xiàn)了更多的寶藏，對亞里士多德的一系列理論上面進行了多方面的質(zhì)疑。那么第二個著名的理想實驗是理想斜面實驗。自從亞里士多德開始思考運動的本質(zhì)以前，人們對運動的理解還是很模糊的，直到伽利略提出了一個現(xiàn)在家喻戶曉的思想實驗，人們才知道了慣性原理——所有物體都將一直處于靜止或者勻速直線運動狀態(tài)，直到出現(xiàn)施加其上的力改變它的運動狀態(tài)為止?；蛘咭粋€不受任何外力（或者合外力為0）的物體將保持靜止或勻速直線運動。由于當(dāng)時對數(shù)學(xué)、物理和哲學(xué)之間的分界沒有現(xiàn)在這么明顯，從伽利略《對話》中描述的內(nèi)容來看，他所認為的小球的最終的運動應(yīng)該是 “自然運動”圓周運動。伽利略不僅指出了力不是維持物體運動的原因，同時也告訴了人們，維持物體運動的是慣性。直到后來迪卡兒對該理想實驗進行了補充，指出小球會一直做勻速直線運動，這樣不僅確定了運動和力是分離的，而且還明確了運動不會偏離原來的方向，把人們的目光聚焦到了運動的方向上面來了。最后才有了牛頓把這些思想結(jié)合起來，從力與運動之間的因果關(guān)系入手，建立的牛頓第一定律。所以這一偉大的發(fā)現(xiàn)，最初還是得益于伽利略的理想實驗。

三、高中教師加強對“理想實驗”教學(xué)的優(yōu)點：

1、理想實驗的實驗成本很低，不需要很大的實驗室，也不需要精良的高端設(shè)備，很大一部分可以在思維里完成。

2、實驗的方法是以事實加上合理的外推，有一定的實踐經(jīng)驗作輔助，不是憑空想象。

3、思辨性很強，通過個人對已知信息進行加工、提煉獲得更有用的結(jié)論更深層次的挖掘隱藏在事物發(fā)展過程中的內(nèi)在規(guī)律。伽利略在1632年出版的《對話》中，以他的三個朋友沙格列陀、薩爾維阿蒂和辛普利邱為主人公，側(cè)面講述了他的個人思想成長演變的過程，《對話》的內(nèi)容具有極強的思想性。

4、伽利略通過理想實驗，得出一系列物理基本定律。這種方法給后來的物理學(xué)研究形成了一套規(guī)范可靠的實驗標準。把科學(xué)研究方法從簡單的觀察升級到對觀察結(jié)果的思辨，是科學(xué)研究史上的一次飛躍。單純的觀察，只能獲得自然界所提供的表面的、粗淺的結(jié)論，而科學(xué)實驗是在人為的條件下有目的的獲取科學(xué)研究中所需要的東西，所獲得的知識將更為深刻。

5、理想斜面實驗被評為十大最美實驗之一，用最簡單的方法講明了深刻的道理，激發(fā)了一大批學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。比如慣性定律，在當(dāng)時的任何實驗中，伽利略首先發(fā)現(xiàn)了摩擦阻礙地運動有影響，在真實的實驗不能嚴格地證明慣性定律情況下，用思維的力量得出了慣性定律，他僅僅通過日常經(jīng)驗的總結(jié)和思維的延伸就可以讓任何一個理性的人相信慣性定律的正確性，這一最簡單的理想實驗足以體現(xiàn)出人類思想力的鋒芒，也會促使更多的人向往物理的美。

結(jié)束語：

理想實驗是一把思想的利器，用得好，可以得出很多實用的物理定律。在日常生活中很有很多隨處可見自然現(xiàn)象，可是為什么只有伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性定律呢？這也說明理想實驗的難點之處就在于對思考的方向的把握，以及思辨的深入程度，同時也需要科學(xué)家有很深厚的學(xué)科素養(yǎng)，豐富的知識儲備和敏銳的問題發(fā)現(xiàn)能力，還需要有驚人的毅力和巨大的勇氣才能把理想實現(xiàn)這把利器揮舞的更加有力。

參考文獻：

[1] 黃華新. 伽利略的科學(xué)思維方法論探析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報（人文社會科學(xué)版）， 2000， 30（005）：23.

[2] 任真. 伽利略科學(xué)方法論研究[D]. 大連理工大學(xué)， 2009.