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1、 學科分類號 888 本 科 畢 業(yè) 論 文 題 目（中文）： 論理想實驗在物理學中的作用 （英文）： The role of theory of ideal experiment in physics 姓 名 學 號 院 （系） 物理與電子科學學院 專業(yè)、 年級 10級物理學本科 指導教師 職稱 副教授 職稱 助教 二000年 4月貴州師范學院本科畢業(yè)論文誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文，是本人在指導老師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議，除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和
2、集體均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 本科畢業(yè)論文作者簽名： 二000年 10 月 1日 貴州師范學院畢業(yè)論文（設計） 目錄摘 要1ABSTRACT21、緒論31.1 理想實驗的概述31.2 理想實驗的發(fā)展進程32、理想實驗的性質42.1 理想實驗的概念與特點42.2 理想實驗與真實實驗的聯系與區(qū)別43、理想實驗在物理學中的作用63.1 理想實驗在物理學發(fā)展中的作用63.1.1 理想實驗推動物理學發(fā)展63.1.2 理想實驗是建立新概念的有效方法73.1.3 理想實驗是探索和創(chuàng)建新理論的最佳方法83.2 理想實驗在物理學理論研究中的應用83.2.1狹義相對論思
3、想萌芽83.2.2相對論的建立93.2.3靜止質量的解釋104、理想實驗在物理教學中的作用114.1理想實驗在物理教學中的應用114.1.1垂直于相對運動方向的長度測量與運動無關的理想實驗114.1.2非慣性系與引力場等效的理想實驗114.2理想實驗在物理教學中的作用125、總結與展望15參考文獻16致 謝17摘 要 本文詳細論述了理想實驗的概念以及它們在物理學中的地位和作用，并對比分析了理想實驗和真實實驗的辯證關系。從物理學發(fā)展的歷史來看，作為物理學理論的基礎，物理實驗是物理學發(fā)展的基本動力。其中理想實驗在物理學發(fā)展史中起到了非常重要作用，它能夠糾正物理學中的某些錯誤觀念，也是一個建立新概念
4、、探索新理論的有效途徑。當物理教師對物理教材理想實驗進行研究時，不僅可以使之認識、理解、掌握這些理想實驗，更重要的是通過物理教學讓學生掌握這種物理思想，并且能主動地運用到物理的學習中去。關鍵詞：理想實驗；物理學發(fā)展；物理教學2ABSTRACT This thesis elaborates the concept of ideal experiment in detail and the position and role of ideal experiments in physics, and further gives a comparative analysis of the dialec
5、tical relationship between ideal experiment and real experiment.From the history of the development of physics, physical experiments are the basis of the theories of physics and the basic driving force of the development of physics as well. In particular, ideal experiments can eliminate the misconce
6、ptions of physics. Theyre the effective ways to establish new concepts and explore new theories, and they also play an irreplaceable role in the history of the development of physics. Furthermore, a study on the role of ideal experiments in physics teaching not merely helps the students to know, und
7、erstand and master the ideal experiments in the textbooks of physics. More importantly, such a study helps the students to know such ideas of physics and voluntarily apply them in learning and studying physics.Key words：ideal experiment; development of physics; physics teaching 1、緒論1.1 理想實驗的概述理想實驗是人
8、們在大腦中想象出來的實驗過程，是一種利用邏輯來進行推理的思維過程，是物理學的專利和特有法寶。在研究物理科學的理論時，理想實驗具有非常重大的意義。當代社會，人們對實際的科學實驗有了更深刻的理解大都離不開理想實驗，而利用理想實驗還可以發(fā)現特別的一些規(guī)律，得到一些非常有用的結論。1.2 理想實驗的發(fā)展進程亞里士多德認為力是維持物體運動的原因，這個觀念讓公元前4世紀的人們一直處在一個錯誤的物理環(huán)境中。伽利略被稱作“近代物理學之父”，在物理學領域中做出了很多重大貢獻，其中他借助了大量理想實驗來揭示出一些正確的科學觀點，由此推翻了亞里士多德的錯誤觀點，把人們從錯誤觀點的漩渦中解脫出來，并使得物理學發(fā)展出現
9、了新的希望。其中“第二斜面”這一理想實驗揭示出了“慣性定律”，這一定律標志著物理學就此誕生了。另外愛因斯坦、麥克斯韋等著名科學家都運用了理想實驗，建立了許多新的科學概念，“理想實驗”在物理學科學的探索之路上起著重要的作用，它是創(chuàng)建新理論的有效方法。直到現代，雖然新科學技術發(fā)張迅速，但理想實驗的地位仍不可小覷，尤其在物理教學中也起了十分重要的作用，因此現在理想實驗依舊受到了廣泛的關注和重視。2、理想實驗的性質2.1 理想實驗的概念與特點在眾多學科中，物理學是一門實驗性很強的學科，物理概念和物理規(guī)律的建立，通常都需要借助實驗；同時理論又指導實驗，并在新的實驗的基礎上繼續(xù)完善理論。理想實驗，不需要人
10、們動手去操作，只需要用大腦想象出實驗的裝置和過程；然后提出一些假設，依據一些本來就已證實的理論進行推論和演算；最終經過一系列的分析得到實驗結論。理想實驗是一種假想的實驗，但也不能脫離實際，所以說它的特點是以是科學實踐為基礎，以思維辯證為根本，以創(chuàng)新精神為骨髓，以推導演練為方法。在一定的條件下理想實驗是可以轉化為真實實驗的，它可以用來推翻舊的不合理的理論，同時還能幫助建立一種新的理論。2.2 理想實驗與真實實驗的聯系與區(qū)別真實的科學實驗與理想實驗相比，真實的科學實驗需要動手用具體的實驗裝置去做，這樣就肯定會受到一定的制約，還要考慮到實驗條件的影響和實驗誤差的分析等情況，而理想實驗就可以排去這些林
11、林種種，只取其精華部分。同時在當今物理學領域的研究中，光依靠真實實驗已經遠遠不能滿足實際需求了。比如，在實驗室里我們是不可能用實際手段制作出黑洞，而史蒂芬霍金之所以能夠洞悉許多宇宙黑洞的奧秘就是憑借了大量的理想實驗。再有就是，近代物理實驗需要花費較多的費用和時間，有的甚至沒有多大的意義，這種情況下用理想實驗代替更能起到一種獨特的作用。 理想實驗一方面跟真實的科學實驗存在不同，另一方面跟純粹的理論假說或理論推演也有區(qū)別。理想實驗中包括了很多理論假說或理論推演的成分，甚至其中絕大部分都運用到了，但二者還是有很大的區(qū)別。有兩個最為顯著的特點體現在理想實驗方面：第一點，理想實驗需要構想出一套模型化的裝
12、置和具體的實驗狀態(tài)。第二點，理想實驗本身就包含著一個特征環(huán)節(jié)，就是需要比較判別，相比之下，理論假說或理論推演是不一定需要比較判別的，它的主要部分是邏輯分析和數學推導才，所以說二者有所區(qū)別。3、理想實驗在物理學中的作用3.1 理想實驗在物理學發(fā)展中的作用現在，理想實驗得到人們越來越多的重視，它促進了物理規(guī)律、理論的發(fā)展，推動了物理學向新的領域擴展，它在物理學發(fā)展中起了非常重要的作用：3.1.1 理想實驗推動物理學發(fā)展理想實驗能澄清物理學中的錯誤觀念，推動物理學的發(fā)展，下面以伽利略的一個理想實驗來詳細論述：圖1 “第二斜面”實驗 “第二斜面”實驗（圖1），是伽利略在實驗時觀察到，由于摩擦力非常小，
13、所以當一個球從一個斜面滾下又滾上另一個斜面時，小球會滾上第二斜面且高度與第一斜面基本上相同。于是他推測，如果沒有摩擦的話，小球肯定會滾上相同的高度，如果第二斜面的傾斜度變小，小球還是會滾上與之前同樣的高度。接著他又想到，若第二斜面是一個水平面，小球可能會持續(xù)地沿水平方向勻速運動下去。這個實驗就是一個理想實驗，因為實驗中所說軌道的摩擦是不可能被消除的。最后，他得到這樣一個結論：物體在一個無限延伸的水平面上運動，如果一直沒有碰到什么阻礙，那么這個物體會一直保持勻速運動。這就是慣性定理，此結論在物理學發(fā)展中是非常重要的，它否定了亞里士多德的論點，就此“力是維持物體運動的原因”這一錯誤觀點被果斷地推翻
14、了，后來它又被牛頓總結為牛頓第一定律，為近代力學的建立鋪了路。3.1.2 理想實驗是建立新概念的有效方法理想實驗有它一定的程序：首先提出猜想，然后根據這個猜想設計出一個不用考慮什么的技術問題或者外界影響的、又可能在現實生活中是無法實際操作的實驗，接著又運用物理中已有的知識體系，動用腦筋、發(fā)揮想象并運用一定的邏輯推理，得出實驗的假設結論，最后再運用已證實的物理理論對命題做出評判。早在1871年時，負熵還是一個新的科學概念，麥克斯韋就是通過一個理想實驗將其發(fā)現的。他設計的理想實驗指出：一個容器中整體的溫度不變，每一個氣體分子的運動速度有的快有的慢，整體上速度又是均勻的。設想把一個容器分隔為兩個部分
15、：A和B，然后在分界上鉆出一個小孔，這個小孔能讓快分子從A向B運動，讓慢分子從B向A運動，這樣的話不做功也能降低A部分的溫度而升高部分B的溫度，這是不符合熱力學第二定律的。后來，布里淵認為麥克斯韋這一實驗要成立，就必須依靠外界的光線和能量，當密封容器進入了光線和能量后，就會使其熵增加，這樣增加的熵可以將剛才減小的熵抵消。最后可得：此實驗所說容器是一個開放系統，光線和能量進入后向該容器輸入了負熵，“負熵”這一概念就這樣產生了，它有力地反駁了“宇宙的熵是無限增大”這一錯誤理論。3.1.3 理想實驗是探索和創(chuàng)建新理論的最佳方法量子論的建立也運用到了理想實驗者一思想方法。在量子力學中，電子束的單縫衍射
16、實驗是海森堡用來推導測不準關系的，這個實驗就是一個理想實驗。我們知道中等速度電子的波長約為10米，原子之間的距離也是在這個范圍內，當電子束穿過原子之間的空隙，就可以發(fā)生衍射。然而，只有把所留單縫四周所有原子之間的空隙都堵死，才可以制成能夠使得電子束發(fā)生衍射的單縫。這在現實生活中肯定是做不到的，現在能做成功的只有電子的原子晶格衍射實驗。另外，相對論的創(chuàng)建史，就是理想實驗一部絕妙的運用史。愛因斯坦巧妙地利用理想實驗來推出相對論的某些原理，并成功創(chuàng)建了相對論。所以說理想實驗是愛因斯坦的論證工具和基礎，它在相對論的創(chuàng)建過程中占有非常重要的地位。3.2 理想實驗在物理學理論研究中的應用3.2.1狹義相對
17、論思想萌芽理想實驗讓愛因斯坦狹義相對論思想得以萌芽，愛因斯坦在他16歲的時候，提出了這樣一個理想實驗：如果說牛頓力學是正確的，那么就會存在一個慣性系是以光速勻速運動的。讓這樣一個慣性系的運動方向與光波相同，同時讓一個人在這樣的慣性系上對光波進行觀察，這個人能看到什么呢？根據伽利略變換，在這樣一個慣性系中，這個人可以看到自己與波峰波谷一起運動，雖然在空間各點電磁場強度是不同的，但在任何一個確定點上它是不會隨著時間而變化的，這樣就像拍得的海浪照片。面對這一結果，愛因斯坦分析得到：（1）電磁波的存在早就被赫茲用實驗證實了，而麥克斯韋方程又是不容置疑的，它是波動方程，方程的可能解應該是時空中的波，而不
18、會是海浪照片。（2）相對性原理也是不能被置疑的，它是自然界中普遍存在的事實，當然在電動力學中也能成立；一個人在慣性系中觀察到的所有物體的運動規(guī)律肯定和他相對于地球靜止時看到的相同。這個理想實驗的結果說明在以光速運動的慣性系中，麥克斯韋方程不再是波動方程，相對性原理在電動力學中是不成立的，這就出現了矛盾。于是我們知道，觀察者是不可能以光速運動的，而且無論用什么樣的方法都不能達到或超過光速。也就是說光速不僅是電磁波傳播的速率，同時還是一切物體運動速度的上限。3.2.2相對論的建立狹義相對論的建立過程中，有這樣一個理想實驗：有一條鐵路軌道是由東向西的，當東西方向各一道閃電在同一時間擊中這一軌道時，站
19、在倆閃電正中間的人可以看到這兩道閃電是發(fā)生在同一時間的。對另一個坐在由東向西高速行駛的火車上的人來說，這兩道閃電卻不是發(fā)生同一時間。因為第二個人是在向西方的閃電靠近，這樣的話西方的閃電會更快一步被他看到。因此，靜止的人覺得是同時發(fā)生的閃電，坐在行駛火車上的人看來卻是西方先東方后，這就是同時性的相對性，它的提出對于建立狹義相對論起了關鍵作用。無論是狹義相對論還是廣義相對論，愛因斯坦在創(chuàng)建它們的過程中，都用了非常多的理想實驗，他充分發(fā)揮了自己的聰明才智，運用其思想思維和邏輯推理為人們創(chuàng)造出了一筆巨大的財富。3.2.3靜止質量的解釋靜止質量是物體相對于慣性系速度為0時的質量，它與物體所含原子數的多少
20、無直接關系，愛因斯坦也是用了理想實驗來證明。有一個封閉箱子裝了若干個小球，選定一慣性系使得箱與小球都處于靜止狀態(tài)，這時箱子與小球只有靜止質量。然后讓箱子保持靜止，而讓小球像氣體分子一樣做無規(guī)則運動，這就使小球具有了動能。這種情況下，小球的運動會使得它的質量增加；同時箱子仍然處于靜止狀態(tài)，但受到小球的影響，它的靜止質量也相應地增加了。這個結果表明：按照相對論質能關系，不僅是物體的外部動能，物體的內部動能也能使物體的質量增加，就像一塊燒紅的鐵，比冷卻時有更大的質量。愛因斯坦借助于理想實驗和相對論，論證了質量和能量的完全等價性，把原本沒有關系的兩個重要守恒定律，即能量守恒和質量守恒，統一為了一個自然
21、定律。4、理想實驗在物理教學中的作用4.1理想實驗在物理教學中的應用4.1.1垂直于相對運動方向的長度測量與運動無關的理想實驗在對于狹義相對論的教學時，就可以運用理想實驗來論證“測量垂直于相對運動方向的長度是與運動無關的”。假設有一輛列車停在一個山洞外面，火車的車廂高度和山洞的高度是相等的，火車開始向山洞勻速行駛，這時火車車廂的高度還會和山洞的高度相等嗎？或者說，高度和運動是否有關呢？在以地面為參照物時，火車是運動的，因此車廂高度會變小，火車能順利地通過山洞。而以車廂為參照物的話，山洞看做是運動的，也就是說洞頂的高度會減小，車廂就會無法進入，這樣就前后矛盾。事實上，我們已經能夠確定車廂是否會穿
22、過山洞，根本就和參考系的選擇沒有關系，也就是說上述矛盾不會發(fā)生，由此可知：車廂的高度和山洞的高度是固定的，即在測量垂直于相對運動方向的長度時是與運動沒有關系的。4.1.2非慣性系與引力場等效的理想實驗“愛因斯坦升降機”這一理想實驗說明了非慣性系與引力場的等效：先將地球看成是慣性系，重力加速度均為g。然后想象有一個人在一個密封的升降機里動手做著力學實驗，當升降機停在地面上時，地球對它有的引力，也就是說把它也當成慣性系。而升降機開始相對于某個慣性系以加速度g向上運動時，引力場消失，它自己本身則是一個非慣性系。這兩種情況測得的結果和現象是一樣的，即物體下落的加速度都會是g，這樣做實驗的人就判斷不出他
23、所在的參考系到底是慣性系還是非慣性系，是有引力的還是無引力的。這個實驗說明了，物體在非慣性系中的運動和在引力場作用下的運動是等效的，即非慣性系與引力場等效，愛因斯坦把這個結論稱為“等效原理”。依據這個等效原理，可以用非慣性系來消除引力場。4.2理想實驗在物理教學中的作用現今社會的教育已轉換為素質教育，也就是說要更加注重學生的能力培養(yǎng)，理想實驗應用在物理教學中，不僅可以讓我們更容易理解和掌握物理教材中的理想實驗，還可以培養(yǎng)學生科學的學習態(tài)度并掌握物理學理論研究和物理教學的方法。1可以幫助學生建立新的科學概念人們可以利用理想實驗拋開事物表面的東西而挖掘出其最本質最內在的東西，因此我們說理想實驗對于
24、物理教學來說有著它獨特的優(yōu)點。在物理課堂上，老師要利用用理想實驗來訓練學生的思維、培養(yǎng)學生的物理思想，并要再三地對學生強調理想實驗的實踐性和思想性。2巧用理想實驗可以更為清晰地將物理規(guī)律呈現給學生理想實驗飽含著深刻的思想性，蘊含了許多與實際實驗相對應的物理規(guī)律，如果用數學方法來推導某些規(guī)律會非常的繁雜且沒有必要，理想實驗則不會有這樣問題出現。巧妙設計出理想實驗不僅可以道出物理教學中一些難以說清楚的物理規(guī)律，還可以讓學生認識到物理理論與規(guī)律也是有局限的。3運用理想實驗來激發(fā)學生的學習興趣，調節(jié)課堂氣氛活躍的課堂氣氛是一堂好的課堂所必不可少的，而在課堂上合理運用理想實驗就能夠達到這一效果。課堂氣氛
25、活躍了，學生的學習興趣也能被成功地激發(fā)，這種情況下他們會具有很強的可塑性，對新知識的接納就能事半功倍了。當代社會科技迅速發(fā)展，課堂上能運用多媒體教學，教師應當充分利用這些有利條件，科學創(chuàng)新出一些具有情感色彩的理想實驗課，以達到更好的教學效果，為課堂教學服務。4運用理想實驗可以通過簡單看到其深層奧秘理想實驗可以通過簡單看到事物本身更深一層的奧秘，通?？梢宰屓藗兏菀桌斫饽切┍緛黼y于理解的知識。一個新的物理概念要被學生接納和理解需要一個過程，如果沒有一個淺顯易懂的方法，學生會很難掌握，這就會使他們產生厭學的心理，這樣下去后果不堪設想。而理想實驗在某種程度上來說，拋去也了很多實際的誤差分析，這大大減
26、少了學生所要考慮的因素，讓物理規(guī)律的呈現更為淺顯易懂。因此，加強理想實驗的教學，可以培養(yǎng)學生豐富的想象力和創(chuàng)造性思維，能幫助學生理解和深化新的概念。5.理想實驗能夠培養(yǎng)學生的物理思維能力 現在教育界進行了新一輪基礎教育課程改革，它的主要目標是提高全體學生的科學素質。所以每門學科的教學均要貫徹這一措施，就更要在物理教學中運用到理想實驗，它能發(fā)展學生的想象力和分析概括能力，進一步培養(yǎng)學生良好的物理思維能力。6理想實驗能激發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識現如今這個社會，老師的職責已不僅僅局限在知識的傳授上，還應該注重培養(yǎng)學生科學的學習態(tài)度，用各種教學手段引起學生的學習興趣，讓學生主動學習、喜歡學習。
27、作為一個物理教師必須掌握好各種教學技能，并自覺地對各種技能進行加強和鞏固。而在物理教學方面更要想辦法激發(fā)學生對科學探索的熱愛和創(chuàng)造欲望，理想實驗要求人們具有較強的發(fā)散思維，因此多運用理想實驗就必須多動腦想象和思考，更需要大腦的創(chuàng)新。可以先讓學生自己提出問題并想出解決問題的辦法，同時老師再加以引導，這樣更能發(fā)展學生的思維能力，激發(fā)和培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力和創(chuàng)新意識。5、總結與展望理想實驗在物理學中有著非常重要的地位，它是物理學理論研究和物理教學的一種重要方法，它不僅在物理學理論研究及其發(fā)展過程中起了不可替代的作用，同時還能在物理教學上發(fā)揮它獨特的效果。我是因為在一次課堂教學時運用到一個理想實驗，從而
28、引起了我對它的興趣和關注，我知道理想實驗并不是一個新的研究課題，偉大科學家、物理學家伽利略和愛因斯坦，都是運用了大量的理想實驗來研究出他們一系列的理論。當今社會的科學技術迅速發(fā)展，但理想實驗的運用依然是非常重要和關鍵的，它在物理學中的地位仍然堅固而不可動搖，我們要重視“理想實驗”這一重要方法，爭取為物理學的理論研究和物理教學工作做出貢獻。18參考文獻1 陳明勝.理想實驗及其在物理學發(fā)展中的巨大作用J.黃岡師范學院學報, 2008, (8)2 沈曉玲.物理學中的理想化方法J. 中專物理教學, 2001, (3).3 王存蓮.物理學中的理想試驗J. 河北能源職業(yè)技術學院學報, 2004, (4).
29、4 趙銳.理想實驗在物理教學中的作用J. SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION, 2008, (30).5 楊勁松.理想實驗和邏輯推理與伽利略的研究思想J. 呼蘭師專學報, 2001, (17).6 羅黎.理想是言語愛因斯坦的相對論J. 物理教師, 2002, (23).7 盧建書,李春滿.“理想實驗”在物理學中的作用J. 張家口職業(yè)技術學院學報, 2004, (17).8 孫桂英.理想化方法在中學物理教學中的應用J. 綏化學院學報, 2005, (25).9 南景宇, 岳建.“理想實驗”在物理學中的作用J. 物理通報, 2004, (2).致 謝這篇論文在我經過很
30、長時間的調研，搜集資料，構思之后，終于完成了。 看著文章內心感慨萬千，回想起自己的學習時光，更是體會頗多，深知在自己完成的論文的過程中得到了很多人的幫助。本文是在我的指導老師的悉心指導下完成的，從論文題目的選定，開題報告的制定，到初稿的完成，再到終稿的形成無不傾注著兩位老師的心血。老師們治學嚴謹，學識淵博，思想敏銳，工作上一絲不茍，兢兢業(yè)業(yè)，給我留下了極深的印象，在這里向兩位老師致以最誠摯的謝意與敬意！其次，還要感謝多年來幫助和支持我照顧我的同學，朋友及家人，在他們身上我看到了我的不足，從而使自己更加完善，沒有他們的幫助和支持，我的論文不能如此順利的完成。最后真誠的感謝各位老師在我學習上給予我
31、的指導和幫助。在形成論文的過程中，深感自己的知識有限，因此，文中不當之處在所難免，請各位師長不吝賜教。 學生：奧迪 2000年 10月其它參考文獻1.沖壓工藝與模具設計.陸茵.武漢理工大學出版社.2012.2.冷沖模設計資料與指導.楊關全.大連理工大學出版社.2012.3.機械制圖.劉家平.武漢理工大學出版社.2011.4.楊占堯.沖壓模具圖冊.高等教育出版社1998.5.侯維芝、楊金風.模具制造工藝與工裝.高等教育出版社1997.6.張鼎承.冷沖模的設計與制造.上?？萍汲霭嫔?995.7.王芳.冷沖壓模具設計指導.機械工業(yè)出版社1982.8.孫鳳勤.模具制造工藝與設備.機械工業(yè)出版社1983.9.黃健求.模具制造.機械工業(yè)出版社2001.10.李德群.現代模具設計方法.機械工業(yè)出版社200411.陳萬林.實用模具技術.機械工業(yè)出版社2000.12.模具實用技術從書編委會.沖模設計與應用實例.1986.
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