思想实验及其在中学物理中的教学策略，本文主要内容关键词为：思想论文,教学策略论文,中学物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
思想实验是物理学研究方法中的一个重要研究手段。从实际实验到思想实验是研究方法中的质的飞跃。应该说思想实验既是实际实验的升华，又是重要的科学抽象方法。它在物理学研究中的作用可用图1来表示。
思想实验根据其实验过程可分为“理想实验”和“想象实验”。“理想实验”是指在自然界中无法实现，只能在想象上操作的思想实验。如伽利略在思考惯性问题时的“斜面实验”中，“绝对光滑”条件在实验中无法达到。而“想象实验”，可以在现实中进行，一般是由于眼前条件不方便而在想象中进行。如伽利略反驳亚里士多德落体定律所“做”的著名的大球与小球的“重物悖论”实验。
1 思想实验的特点与作用
思想实验作为一种独特的“实验”方法，有如下基本特性。
1.1 实践性
任何一种思想都不可能从天上掉下来，只能从实践活动中经过人们的思考才能产生。在科学研究中，思想实验往往是科学工作者对所研究的问题进行长期思考后设想的一种“思考实验”。例如伽利略对亚里士多德“力是运动产生的原因”经过研究提出了质疑：一辆飞快的马车，当马停止用力拉东西时，马车并不因为没有力而立刻停止运动，伽利略认为这一现象说明运动与力没有同时对应性，亚里士多德的理论肯定有问题。于是他进一步思考，如果道路平坦光滑一些，车子中轮轴再光滑一些，车子肯定可以走更长的路，而如果道路绝对光滑平坦，车子无阻力，即没有任何因素阻碍车子运动，那么车子永远不会停下来。由此伽利略进一步推论：任何物体如果没有受到外力或所受外力为零，则物体将保持静止或匀速直线运动状态，直到有力迫使它改变运动状态为止。这就是惯性定律。在这一研究中，伽利略关于马车的“思想实验”是以实践为基础，但又进行了高度的科学抽象。
1.2 思想性
思想实验是“思想”与“实验”的高度综合，是一种以物理思想为纽带连接起来的辨证综合的思维过程。正是由于思想性而使思想实验与实际实验区别开来。例如，伽利略关于“落体问题”的思想实验，本来在实践上是不难做到的，可以进行实际实验。但是之所以称之为“思想实验”在于它的思想性。或者说，有时思想实验比实际实验作用更大。
1.3 创造性
思想实验并非实践与思想的简单组合，而是经过科学思考后产生的“创造性”产物。思想实验本身是一种科学的创造。例如，爱因斯坦有关“同时性”的“雷电”的思想实验导致了狭义相对论中“同时性的相对性”概念的建立。思想实验也可能发现旧理论的局限性。麦克斯韦1871年提出的，被后人称为“麦克斯韦妖”的思想实验。他设想：“在一定的温度均匀的充满空气的容器里，分子运动速度决不均匀……假定把容器分为A和B两部分，在分界上有一个小孔。再设想一个能见到单个分子的‘存在物’打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑到B，而慢分子从B跑向A。这样，它在不消耗功的情况下，使B的温度升高，A的温度降低。”这就是说，在微观世界里，当我们跟踪每一个分子时，有可能出现违反热力学第三定律的现象。麦克斯韦因此而成为第一个发现经典定律局限的人。因此思想实验既可能发现旧理论的缺陷，也可为新理论的建立指明方向。当然，一个伟大的思想实验也可能导致一个新的理论的建立。例如，爱因斯坦的“电梯实验”导致了广义相对论中“等效原理”的发现。
1.4 可转化性
理想实验虽然在一定时期内限于技术条件无法进行实际实验，但随着技术发展，某些“理想实验”可能在现实中进行。例如，爱因斯坦关于时间“同时性”的相对性的理想实验在本世纪初无法实施。但到了1971年，美国科学家海弗尔和凯丁用铯原子钟放在飞机上，飞机在赤道平面附近高速向东和向西各绕一周后，发现向东飞行时的原子钟比地面上的原子钟平均慢了50×10[-9]s，而向西飞行的原子钟比地面上的快了273×10[-9]s。
2 思想实验在中学物理中的教学策略
2.1 充分应用教材提供的思想实验建立新的科学概念
思想实验是一种科学思想中形象思维与抽象思维的高度统一，是透过事物表面现象，揭示其本质的过程。因此思想实验在科学发现中有其独特功效。物理教学中要充分运用思想实验使学生进行思维训练和物理思想的培养。充分强调思想实验的实践性，并突出其思想性。例如，“人造地球卫星”一节内容中，有牛顿关于“卫星上天”过程的思想实验。在讲解这一例子时要强调几个问题：①牛顿设想的空间是理想化的；②高山顶上抛铅球的那个人是理想化的“大力神”；③轨道随速度改变是逐渐变化的过程；④当速度达到某一值时，此球将沿圆轨道而永远不落；⑤当球由（落地的）非圆轨道转化成（不落地的）圆轨迹时，发生了“质”的飞跃，即物理过程的“质变”；⑥这一理想实验虽然在牛顿时代无法实现，但现在可实现。所以理想实验可在一定条件下转化成实际实验；⑦设想有座山的高度恰好等于月球轨道的高度，那么“大力神”抛出的物体的速度至少为多大才能绕地球作匀速圆周运动。
2.2 应用思想实验巧妙地发现或呈现物理规律
思想实验有其深刻的思想性，蕴含着与“实际实验”对应的诸多物理规律。有的物理规律用数学方法推导不仅繁杂且无必要，思想实验则可解决这些问题。例如，几何光学中关于物体运动速度与像的移动速度的关系问题，应用数学运算较繁，且不易发现动态规律。笔者设计了一个思想实验，解决了这一问题。
设空间放一个大凸透镜，在透镜主光轴位置上放一根钢丝，一个小杂技演员从很远的地方从钢丝上向透镜光心匀速率运动。如图2所示。接着设计以下连环设问的分析程序。
①u＞2f时的分析过程。
师：在u＞2f时，成什么像？
生：缩小倒立的实像。
师：小孩在无穷远（很远处）时成像在哪里？成什么样的像？
生：焦点很近处很小的点像，“小布点儿”。
师：当小孩到达距光心2f处时像成在哪里？多大的像？
生：2f处，等大倒立的实像。
师：小孩从很远处向u=2f处走动过程中，像的大小如何变化？
生：变大。
师：小孩（物）的速度变化吗？
生：不变。
师：像“走动”脚步频率与物（小孩）走动的脚步频率有什么关系？
生：相同。
师：物像各走一步谁的脚步大？为什么？
生：物。因为“大人”走大步，“小人”走小步。
师：谁的运动速度大呢？
生：物。
师：像的速度如何变化？
生：变大。
故得出结论是像的长度增大，脚步增大，（频率不变）运动速度增大，但始终小于物的速度。直到u=2f时，像的速度才等于物的速度。这一规律可简单比喻成大人与小孩比赛走路，当走动频率相等时，谁的速度大？（当然这里把物比喻为“大人”）。最后要求学生写出像的速度与物的速度的比例关系。
②f＜u＜2f时，同样可设计类似问题，加以解决（略），或者由学生自己分析。
③u＜f的分析过程。
师：u＜f时，小孩由焦点向光心运动，成什么像？
生：放大虚像。
师：像的大小如何变？
生：变小。
师：像的运动方向和起点、终点呢？
生：向右，从左∞远向光心移动。
师：“人”与“像”各走一步谁运动快一些？
生：像快一些。
师：像的速度如何变化？
生：变慢。
所以，当u＜f，u减小时，像的速度大于物的速度。但，像的速度在减小，实际上这相当于运动学中的追赶问题。
④以上三个过程中物像间距如何变化？这个问题实际上可简化成运动学中“物”与“像”的追赶问题（解答略）。
⑤以上过程中像的放大率如何变化？回答这个问题也较容易，因为只要想象一下像的变化情况便知道答案了。答案的示意图用图3表示。
巧妙设计思想实验还可呈现实验中较难说明的规律，或巩固一些物理规律，也可以让学生认识到某些规律的局限性（限于篇幅，例略了）。
2.3 运用思想实验调节课堂气氛，激发学习兴趣
巧妙设计思想实验，可活跃课堂气氛，融洽师生情感，从而激发学生的学习积极性与主动性。情感智商具有很强的可塑性，且情感智商的高低直接关系到学生今后的学习与工作成败。课堂教学中设计一些具有情感色彩的思想实验可有效地调节课堂气氛。现代科技的发展出现了具有幻想色彩的动画片，这对拓宽儿童的思维具有极重要的作用。教师要充分利用这些素材，经科学创新后为课堂教学服务。例如，在一次力学习题课中，我编了这样一个题目让学生做。课堂实况简述如下：
今天我们来讲一个米老鼠的故事（一语道出，课堂气氛顿然活跃）。
一次，质量为m的米老鼠在捉弄唐老鸭的游戏中，一不小心从高空连同一根质量为M的长木杆一起掉落，如图4所示。请回答下列问题：
(1)米老鼠与木杆下落的加速度多大？
(2)如果米老鼠拼命挣扎而向上爬，结果米老鼠在空中保持高度不变。那么杆子的加速度多大？米老鼠对杆子的作用力多大？方向如何？
(3)如果在其上方有一个安全平台，米老鼠有无可能使自己的高度增大爬上平台而脱离危险？
(4)如果杆子向下的加速度为
则米老鼠的加速度多大？
方向如何？
以上例子在实际生活中很难做到，实质上就是一个思想实验。
2.4 运用思想实验反驳、检查学生出现的错误
学生思想中存在的错误大多是来自于对物理概念或规律的错误认识或片面理解。这时，教师必须设法给这些错误观念给予强刺激，以利于有效地纠正错误。
例如磁感线是封闭曲线（磁单极子不存在），是一个高中物理的基本知识点。为了让学生理解这一问题，笔者设计了一个思想实验让学生讨论。
设想有一个有界匀强磁场，磁场方向向下，磁感强度为B，一矩形导线框平行于磁感线放置，一部分在磁场内，一部分在磁场外，如图5所示。当导线框垂直于纸面方向作平动时，线框内有无感应电流？
分析：有的学生从切割磁感线的角度来分析，cd边切割磁感线，故线框中有感应电流。但另一些学生从磁通量角度进行研究，认为线框中磁通量始终为零，即△Φ=0，由法拉第电磁感应定律可知，线框中无感应电流。那么，法拉第电磁感应定律有无错误呢？线框中到底有无电流呢？这个“思想实验”中似乎遇到了无法克服的困难。其实，“实验”中所创设的结论是不存在的。由于磁感线是闭合的，故不可能存在如题中所设的“有界”磁场，这一思想实验说明磁感线必定闭合。如果存在不闭合的磁感线（存在磁单极子），那么整个电磁学将会有彻底的更新，当然法拉第电磁感应定律也将推翻而更正。
思想实验作为重要的研究方法，在平时教学中需要我们教师不断“创新”。这里创新的含义有两层：首先是科学史中或课本上存在的思想实验的创造性使用；其次是作为一个物理教师要大胆“创造”新的思想实验，使课堂教学的思维更活跃，思维力度更大、效率更高。应该说明的是，随着多媒体教学手段的使用，很多思想实验可以借助三维动画来实现。便程序设计中必须十分注重思想实验的思想性和科学性，使学生更早地具有“物理头脑”，更快地掌握物理科学的思想方法。