关于理想实验在物理学中的作用探讨

2012届本科毕业论文（设计）题目：关于理想实验在物理学中的作用探讨学院：物理与电子工程学院专业班级：2007级物理班学生姓名：阿尔孜古丽·买吐送指导教师：巴哈德尔老师（讲师）答辩日期：2012年5月12日新疆师范大学教务处目录1引言：............................................................11.1理想实验的发展历史............................................11.2理想实验概念..................................................22理想实验的性质....................................................22.1理想化方法....................................................22.2理想实验与真实验的区别........................................32.3理想实验的特点................................................43理想实验在物理学发展中的巨大作用..................................43.1理想实验在物理学理论的研究中的也有重要作用....................44理想实验在物理教学中的作用........................................54.1充分运用教材提供的理想实验建立新的科学概念....................54.2应用理想实验巧妙地发现或呈现物理规律..........................54.3运用理想实验调节课堂气氛，激发学生学习兴趣....................64.4利用理想实验可以做到出于简单而归于深奥........................64.5利用理想实验来培养学生的物理思维能力..........................64.6理想实验与多媒体技术的结合....................................75理想实验举例：....................................................75.1爱因斯坦与理想实验............................................75.1.1“爱因斯坦列车”理想实验....................................75.1.2“爱因斯坦电梯”理想实验....................................86结束语：.........................................................10参考文献:..........................................................11致谢...............................................................12理想实验在物理学中的作用摘要：随着科学技术的进步，我们的科研技术，研究用的仪器都有了巨大的进步。但是，理想实验依然保持着它的旺盛生命力。尤其是理想实验在基础科学的研究中能澄清物理学中的错误观念，理想实验是建立新概念、新理论的有力手段，在物理学的发展及教学中有不可替代的重要作用。关键词：理想实验；物理学；理论研究；物理教学；重要方法，理想设计新疆师范大学2012届本科毕业生毕业论文（设计）11引言：在物理学中，为了便于进行理论研究，除了建立“理想模型”以外，还常常设计“理想实验”。为了顺利完成物理教学，也常常应用“理想实验”。理想实验是人们在以认识的自然规律和科学实验的基础上,运用逻辑推理方法,思维中,把客观的实验条件和研究对象加以理想化和纯化,抽象或塑造出来的理想化过程的“实验”。它属于思想上的实验,不是实际的、真的实验。理想实验完全克服了实际实验的局限性,超越了当时的科学技术和发展水平。用理想实验研究物理学中的问题,在原有物理科学技术和发展水平。用理想实验研究物理学中的问题,在原有物理科学实验事实基础上,以物理科学理论为指导,发挥人的主观能动性,对研究的物理条件和对象加以理想化,完全排除次要因素和无关因素干扰,使研究对象的主要特性及其运动规律充分暴露出来,抓住主要矛盾,发现和认识事物的本质及其规律具有极其特殊的地位和作用。在物理学发展中,理想实验不论对经典物理学的建立,还是对现代物理学的建立都起了重要的作用。1.1理想实验的发展历史理想实验是伴随着物理学的产生而产生的。早在从古时候起，人们就尝试着理解这个世界：为什么物体会往地上掉，为什么不同的物质有不同的性质等等。宇宙的性质彩虹同样是一个谜，譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动，并且是什么力量决定着这些规律。人们提出了各种理论试图解释这个世界，然而其中的大多数都是错误的。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论，它们不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。像托勒密（Ptolemy）和亚里士多德（Aristotle）提出的理论，其中有些与我们日常所观察到的事实是相悖的。由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。古代物理学的特点：1.物理现象虽被发现和记录下来，但未形成系统的理论。2.受神学的支配很强。3.天才的臆测建立在笼统的直觉观察之中。虽然这些不能称之为理想实验，但是它们却是理想实验的雏形，或者说是理想实验的最初来源。随着人们认识的不断深入，对自然规律的不断探索，人的认识方法也有所改进。向着系统化、规范化、科学化发展，理想实验也就应运而生。在此过程中出新疆师范大学2012届本科毕业生毕业论文（设计）2现许多令人敬佩的科学家。伽利略开创了经典力学，牛顿建立了经典物理学的雏形。麦克斯韦建立电磁场理论，并预言了光的电磁波性质。爱因斯坦创立的伟大理论相对论，是二十世纪伟大的理论创新。在此过程中，都有理想实验的身影。它们在使用理想实验这一方法的同时也在不断的改进和发展这一方法，才有了今天理想实验丰富的内涵。1.2理想实验概念理想实验又叫“假想实验”或“思想实验”，是一种逻辑推理的思维过程，理想实验不是在现实中进行实验，而是在想象中、思维中进行的实验。但是理想实验不是脱离实际的主观随意遐想，而是在真实科学实验的基础上，突破主观因素，忽略次要因素，通过思维中塑造理想过程，运用逻辑推理的思维过程和理论分析的方法，进而揭示物理环境的内在联系。它具有真实实验的一些特点，有不同于实际试验。所以，也可以说，理想实验是一种带有浓郁物理学色彩的逻辑推理，是人们在思想上塑造的立项过程。因此，理想实验是物理学的发展与物理教学的重要方法。2理想实验的性质2.1理想化方法理想化方法是人们在认识事物、探索事物内在本质及规律的过程中形成的一种理论思维方法。物理学中的很多概念、定理和定律的形成，都是在通过对研究对象进行抽象概括，对研究过程进行简化的条件下得来的。以物理学中所涉及的部分概念、定理和定律为例，针对物理概念如何模型化、物理过程以及物理实验如何理想化进行阐述，这样有助于对物理概念、定理和定律的进一步理解，也是研究和探索其他事物的一种很好的手段。在研究物理过程中，往往由于过程的影响因素比较多，要发现过程中的本质及规律不容易的，或者是不可能的．因此我们需要对整个过程或过程中的某一部分进行假设而建立过程简单化的理想模型，目的是抓住问题的主要的、本质的因素．舍弃其次要的、非本质的因素，变复杂条件的实际过程为简单的理想化过程。这样我们就可以透过事物的表面现象，比较容易地发现事物的本质及变化规律。物理学中的许多物理概念和物理定理、定律就是通过这样的方法建立起来的。所以，理想化方法是物理研究中广泛采用的理论思维方法之一。在理想化方法中，起很大作用的就是一些理想模型。它们是我们使用亮相化方法的基础。所以有必要进行简单的介绍。质点模型：对于具有一定质量的物体，新疆师范大学2012届本科毕业生毕业论文（设计）3我们假设其质量集中在物体的质量中心，而不考虑它的大小，就得到质点。点电荷：物理学上把本身的线度比相互之间的距离小得多的带电体叫做点电荷。既与质点的概念相似，只考虑电荷量的多少，而不考虑带电体的大小。刚体：刚体是指在任何情况下形状大小都不发生变化的力学研究对象。电阻无限大的电阻模型：在实验中视为店主无限大，没有电流通过的电阻。理想电源：没有内阻的电源，电动势等于路端电压。以上是我们经常用到的几个理想模型，其实，理想模型很多，在此比必要一一介绍。大致可分为以下几类：1.对象模型。物理中的某些客观实体，如质点，舍去物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来描绘，这是对实际物体的简化。还如杠杆、点光源、刚体、点电荷、薄透镜、连通器、单摆、理想气体等都是理想模型，这些理想模型都是以客观存在为原型，但在抽象思维的过程中运用了“忽略次要因素，抓住主要因素”这个基本方法，从而使物理问题简化。再如，为了形象直观描述一个抽象的概念，还运用了一些如电场线、磁感线等理想化模型，通过这些模型将电场、磁场的物理性质描述得形象直观，便于人们理解认识。2.条件模型。当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。力学中的光滑水平面；热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的条件理想化了。3.状态和过程的模型。例如，电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化；力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞等等都是物理过程和物理状态的模型化。2.2理想实验与真实验的区别理想实验之所以被称为“实验”,是因为它在特征和目的上,与具体实际的实验相似。都是将研究对象加以“纯化”,以便在最少干扰和影响下概括出研究对象的特性和本质。在思想中塑造理想过程，进而运用逻辑推理的思维过程和理性分析，以揭示物理世界的内在联系。然而理想实验并不等同于实际实验,它们之间是有区别的。1.理想实验不是一种实践活动,不能用来作为检验科学理论的标准;2.实际实验总是有一定误差的,理想实验则不同,要它纯化到什么程度,就能纯化到什么程度,没有误差;新疆师范大学2012届本科毕业生毕业论文（设计）43.理想实验可以超越当时的科技水平,充分发挥思维的作用,实际实验却要受到科技水平的限制;4.一般说来,理想实验难以物化为实际实验,但随着实验手段和工具的改善提高,某些理想实验也可以转化为实际实验。如关于量子几率波的单电子衍射实验最先是作为理想实验提出的,但在1949年苏联物理学家具体完成了这个实验,实际观察到了单电子的衍射现象。2.3理想实验的特点理想实验是按真是实验的格式展开的一种复杂的思维推理活动。它并不要求进行实际操作，可以只是设想一套实验装置，辅以一定的假设作为前提和出发点，按照一系列理论进行推演，给出实验过程和状态的逻辑思维想法，便可以得出有用的结论。这时我们不得不注意，由理想实验所得到的结论的可靠性完全取决于理想实验所做的假设和进行推理的理论的正确性。所以，我们要本着科学的严谨性，不可滥用错用这种方法。一切理论都要用实际试验来验证，或者是间接的说明。也许可以这样认为，理想实验是我们打开知识宝库的钥匙，但是要想得到宝藏还需要实际试验这把撬镐。由此，可以总结理想实验具有以下特点：1.科学观察是理想实验的根本；2.思维辨析是理想实验的基础；3.创新精神是理想实验的精髓；4.理想实验在一定条件下可以转化为真实实验；5.理想实验可以用来推翻旧的不合