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论文初稿

晋中学院

本科毕业论文（设计）

题目：

浅谈理想实验在

物理学中的作用

院系：

信息技术与工程学院

专业：

物理学

姓名：

余建刚

学号：

1008111230

学习年限：

2010年9月至2014年7月

指导教师：

丁俊英职称副教授

申请学位：

理学学士学位

2014年3月20日

摘要

本文主要介绍了著名的伽利略理想实验.麦克斯韦“妖”在热力学第二定律形成过程中以及对其的完善中所起到的作用，爱因斯坦在狭义相对论建立过程中的理想实验和，以及在量子力学建立过程中的薛定谔海森堡等物理学家所设计的著名的理想实验，通过回顾这些实验，有利于我们对理想实验更深一层的认识.理解和掌握，有利于我们在今后物理教学中对理想实验的灵活运用，让我们领悟到理想实验对物理学发展起着重大的作用，最后通过例举在固体物理等教材中教学时所用的理想实验模型在物理教学中的应用，从而突出理想实验不仅对物理学的发展和物理学教学具有积极而深远的意义而且对培养学生的思维能力方面也有不可估量的价值意义。

关键词：

理想实验；物理学；物理学发展。

ABSTRACT

ThisarticlemainlyintroducedthefamousGalileomaxwell'sdemon\"intheformationprocessofthesecondlawofthermodynamics,andplayarolein,fortheperfectionoftheEinsteinidealexperimentandintheprocessoftheestablishment,thespecialtheoryofrelativityandquantummechanicsinschrodingerandHeisenberg,etcintheprocessofthedesignbythefamousphysicist,idealexperimentbyreviewingtheseexperiments,isconducivetoadeeperunderstandingofidealexperiment.Weunderstandandgrasp,ishelpfultousinthefutureflexibleuseofanidealexperimentinphysicsteaching,letusgrasptheidealexperimentofphysicsdevelopmentplaysasignificantrole,atlast,throughexamplesinteachingmaterialsinsuchassolidstatephysicsasanidealexperimentalmodelintheapplicationofphysicsteaching,tohighlighttheidealexperimentnotonlyforthedevelopmentofphysicsandphysicsteachinghasapositiveandfar-reachingsignificancebutalsotocultivatethestudents'thinkingabilityhasimmeasurablevalue.

Keywords:

idealexperiment;Physicsdevelopment;Physicsteaching

目录

1绪论

1.1理想实验及其发展过程……………………………………….1

1.2理想实验的性质……………………………………………….2

2.理想实验在物理学发展中的作用

2.1伽利略的理想实验…………………………………………….3

2.2麦克斯韦“妖”与热力学第二定律………………………….4

2.3狭义相对论的建立过程与理想实验…………………………5

2.4量子力学中的理想实验……………………………………….6

3．理想实验在物理教学中的作用

3.1理想实验在物理教学中的应用…………………………..7

3.2理想实验在物理教学中的作用.…………………………..8

4总结…………………………………………………………….9

参考文献…………………………………………………………10

致谢………………………………………………………………11

1绪论

1.1理想实验及其发展过程

理想实验从其字面意思我们就可以知道它是一种理想化的实验，但是这种理想化实验并不是随意瞎想和并不是没有根据的，而是人们以自己已经认识到的自然规律和已学到的科学实验为前提，加上一些思维上的逻辑推理方法，为了研究的方便，在人们的大脑中把实验的客观条件和实验对象加以想象的理想化的过程实验。

它属于一种想象中的实验，在现实生活中是无法实现的，它突破了现实中条件的限制，在思想上提高了科学技术的水平，弥补了物理中无法实现的实验，推动了物理学的发展。

理想实验最初是由伽利略提出的，伽利略为了推翻亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”而做了理想实验，从此以后，在物理学领域中著名的科学家们不断地运用理想实验，如爱因斯坦.麦克斯韦.在爱因斯坦的相对论建立的过程中，麦克斯韦对热力学第二定律建立过程中以及量子力学的建立，都进行了好多理想实验，理想实验对物理学的发展起到了重要的作用，直到今天，理想实验无论是在教学还是在科研中，都起着举足轻重的作用，比如在教学中我们可以利用质点点电荷等理想模型来研究问题，在航天技术中，我们可以利用一个模型来模拟航天器的发射过程，如此可见理想实验与我们的生活息息相关，我们要更加重视这种思维方法。

1.2理想实验的性质

1.2.1理想实验的概念

物理学所研究的是我们所生活的大自然中的无规律的一些现象，它的基本研究方法之一就是实验，根据现象设计实验，由实验得出结论，再有结论去设计新的实验，再得出新的结论，由此往复从而总结自然界的规律和解释现象，由此可见物理学就是一门以实验为基础的学科，物理学中好多定律都是通过实验而得出的，而做实验需要有科学技术条件环境等因素的限制，并不是所有的实验我们都可以做成，为此为了研究的方便就出现了理想实验，理想实验也可以叫做“假想实验”“抽象实验”或者“思维实验”，它是思想上的理想过程和一种逻辑的思维过程，是我们物理学理论研究的一种重要的方法。

1.2.2理想实验与科学实验的区别

科学实验就是真实的实验，它是一种真实的实践过程并具有物化过程，它是在做实验时把所有考虑到的条件因素都考虑进去的一中实验，而理想实验则是一种思维中的过程，它没有实际操作和不进行物化过程，而是根据已有的科学理论进行假设推理的过程。

理想实验它并不是随意瞎想的实验，它是以真实的实验为基础，它是是把影响实验的次要因素给忽略掉了，抓住了影响实验的主要因素，把实验的实际过程更加理想化和抽象化。

理想实验中的思维过程是具有一定的逻辑法则的，而这些逻辑法则都是长期以来经过人类社会实践总结出来的并被实践所证实了的法则。

理想实验主要包括实验过程的理想化.实验对象的理想化即创建理想条件和理想模型，在物理学的理论研究中，理想实验起到了很重要的作用，他作为一种理想化的思维方法，可以让我们对真实的科学实验具有更深一层的理解，可以进一步帮助我们对客观现象和客观过程之间存在的内在的联系的认识，从而让我们通过现象设计合理的实验过程，最后总结重要的结论。

2.理想实验在物理学发展中的作用

2.1伽利略理想实验

在古代关于力与物体运动的学说中占据主导地位的是亚里士多德的说法，他认为一个物体的运动是因为有一个不断作用于物体的力，一旦撤去这个作用力物体就会停止，即他认为“力是维持物体运动的原因”，他的这种说法在当时与经验似乎是没有矛盾的，但是很明显经不起仔细推理，例如，有人问他对于抛出去的物体，为什么离开人手的接触还会运动呢？

他解释说物体之所以运动，是因为人手对物体做抛出运动时使物体周边的空气也运动了，手离开物体后，空气带动抛物继续向前运动，当然这种说法很明显有漏洞，因为有人问空气对物体也有阻力作用，为什么有时候阻力大于推力，有时候推力大与阻力呢？

从这种简单的问答中很明显，亚里士多德的说法是不正确的，但是当时还没有找下反驳他的充足的依据，为此人们在当时不得不接受亚里斯多德的说法。

直到中世纪以后出现了一些对亚里士多德学说持有反驳的学者，如菲洛彭诺斯.威廉.布里丹等。

伽利略在发展惯性定律时做了一个著名的理想实验，如图所示，斜面都是光滑斜面，伽利略让小球从A滑下然后他发现小球会沿斜面BC滑上，最后小球停止的地方与A点几乎同一个水平面，他是斜面的倾角变小在此重复，结果发现小球沿斜面升高的高度与A点几乎还是同一个水平面，他断定如果斜面光滑，那么小球肯定会滑上与A点一样水平的高度上的，他假想，如果斜面的倾角足够小，以至于小到为零时即水平时，小球由于无法达到与A点同一水平面的高度上，因此小球如果不受其它作用力将一直沿水平面滑下去，于是他得到结论：

“当一个物体在一个水平面上运动，如果没有碰到任何阻碍时，它的运动将是匀速的并将永远无限低继续进行下去，假如平面是在空间无限延伸的话。

”他把物体的这种功能叫做物体的惯性，后来被牛顿更进一步发展成为牛顿第一定律。

在这个实验中，我们知道：

斜面绝对光滑是不可能的，在我们生活中是不可能找到这样的斜面的，物体在水平面上运动而不受任何其它作用力，这也是不可能的，因为空气阻力多少始终都会有，因此这个实验忽略了影响小球运动的次要的因素即空气阻力，这是一个典型的理想实验，而这个实验有力的批判了亚里士多德的说法，开启了近代物理学的开端，在物理学发展史上起到了重要的作用。

2.2麦克斯韦“妖”与热力学第二定律。

1854年克劳修斯宣布热力学第二定律即“热永远不能从冷的物体传向热的物体，如果没有与之联系的.同时发生的其他的变化的话。

”这也是现在热力学第二定律的克劳修斯表示，1865年克劳修斯提出了“熵增加原理”，是热力学第二定律更加完善，此时热力学第一定律和热力学第二定律构成了热力学的理论基础，是热力学建立了一个完整的体系，但是就在这时包括w.汤姆孙和克劳修斯在内的一些著名的物理学家们忽视了熵增加原理的适用范围，而把热力学第二定律运用到了宇宙当中，从而产生了错误的“热寂”结论，1867年克劳修斯指出：

“宇宙越接近于其熵为一最大值的极限状态，他继续发生变化的机会也越减少，如果最后完全到达了这个状态，也就不会出现进一步的变化，宇宙将处于死寂的永远状态。

”

“热寂”的结论引起了强烈的反响，好多物理学家就认为“热寂”结论不正确，并且都试图寻找各种具有说服力的实验来反驳“热寂”结论，在当时麦克斯韦也是强烈的反对，他认为在我们自然界中既然有熵增加，那么肯定会有一个过程，而这个过程正好与熵增加过程是相反的，由于他当时并没有深刻理解到这个机理过程，所以他在1871年出版的《热学原理》中巧妙地设计了一个理想实验：

在热力学中，我们毋庸置疑的是，在一个体积不变又不与外界进行能量交换的封闭系统中，如果其温度和压强到处都是一样的，那么在不消耗能量的情况下是不会在系统中某个地方产生出温度和压强的差别的，麦克斯韦假想，在一个温度均匀充满空气的容器，从整体上看容器中大量分子的平均运动速度是均匀的，现在容器中间有一个无形之门，把容器分割成A和B两部分，在这个门口有一个神奇的物质，它可以看到容器里每一个分子的运动，并且还可以判断出每个分子运动速度的大小，这样我们知道在A和B两边都有运动速度大和运动速度小的分子，于是当A中速度小的分子运动到门口时，这个神奇的物质就会把门打开，让其进入B中，而A中速度大的这不能通过这个门，而当B中速度大的分子运动到门口时，这个神奇的物质就会同样打开门，使其通过，而让B中速度小的分子继续留在B容器之中，这样下去，在A中都是运动速度大的分子，在B中都是运动速度小的分子，最后使A中温度升高，B中温度降低，而在这个过程中并没有消耗任何功，但是能量却从低温传到了高温，这显然与热力学第二定律产生了矛盾，从这个理想实验可以看出热力学第二定律并不是在任何环境下都是可以使用的，它并不适用于单个分子，相反只适用于大量分子体系，对于我们生活的大宇宙中的分子，我们所研究的只是其中的一小部分，其中的分子少之又少，可以看成是单个分子，所以热力学第二定律并不适用于宇宙中，因此宇宙“热寂”论是错误的。

我们知道这个就是一个理想实验，在这个实验中，那个神奇的物质并不能看到，也无法找到，因此物理学家们把这个神奇的物质叫做“麦克斯韦妖”。

这个理想实验吸引了好多物理学家的兴趣，促使他们对热力学第二定律进一步研究，直到1951年布里渊很清楚的明白了麦克斯韦妖，并且认为它并没有违反热力学第二定律，这个实验进一步的深化和完善了热力学第二定律。

2.3爱因斯坦的理想实验.

我们知道爱因斯坦建立了狭义相对论之后又建立了广义相对论，无论是狭义相对论还是广义相对论的建立，他都运用了许多理想实验。

2.3.1爱因斯坦与狭义相对论

我们知道狭义相对论可以解释经典物理学中的问题以及一些用经典物理学无法解释的现象，狭义相对论的建立，在物理学史上是一个划时代的里程碑，她否定了牛顿力学中的的绝对时空观.物体质量绝对不变的观点和牛顿力学中质量和能量不相关的观点，狭义相对论使人们重新理解了时间.空间.物质和能量之间的关系，它表明物质的统一不仅适用于人类而且适用于大自然，狭义相对论魏广义相对论的提出奠定了基础。

2.3.2狭义相对论建立之初的思想萌芽。

在1895年爱因斯坦理用理想实验的方法推理出了伽利略速度合成定理和伽利略相对性原理之间存在着矛盾，从而说明这个定理的应用是受到条件的限制的，为此，他设计了一个精巧的理想实验：

假设他以光速和一束光线在一起运动，那么光线想对他而言便是静止的，他将会看到这些光线就像在原地震动而不前进的电磁场，但是无论是根据经验还是从麦克斯韦方程出发，这样的事情都不会发生的，这就是著名的“追光悖论”，正如爱因斯所言，正是这个悖论产生了狭义相对论的萌芽。

2.3.3同时的相对性打开了狭义相对论的大门

狭义相对论的建立是基于两个基本假设之上的即第一：

相对性原理，第二光速不变原理。

爱因斯坦在解释相对性不变原理是时又巧妙地运用了一个理想实实验：

如图所示，一个火车正以一定的速度匀速向右行驶，A和C是这个火车的车头和车尾，B是A和C的中点，E是车厢的中点，在E处有一个光脉冲，A和C都装有反射镜，当点E和B刚好重合时E点出发射光信号，根据光速便不原理在E处观察者，将会看到A和C同时接收到信号，然而相对于在地面上的上的B处观察者来看，火车向右的速度为Ｖ，光信号相对于A处的速度为（C-V），相对于C出的速度为（C+V），即在B处的观察者将先看到C处闪光，然后再看到A处闪光，同样一件事但对于不同的观察者来说有不同的结果，即同一事件并不是同时发生，所以有此由光速不变原理可以推导出“同时的相对性”。

同时的对性原理否定了牛顿的绝对是空的观点，这是爱因斯坦建立狭义相对论的最基本的出发点。

2.4量子力学中的理想实验。

关于量子力学中的不确定关系，海森堡所做的电子束单缝衍射实验就是一个很典型的理想实验，因为要发生衍射的条件是只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时才会发生衍射，有德布罗意波长公式

，P=mv可知，对于一个中的速度的电子，它的波长和原子之间的空隙的数量级相同，所以可以发生衍射，但是要想发生衍射，就要制造出单缝也就是只能够保留两个原子之间的空隙，把相邻这两个原子的其他原子之间不能留下空隙，我们都知道这个在现实生活中是无法做到的，也就是在实际中无法实现电子束的单缝衍射实验，但是海森堡所做的这个理想实验却可以解决好多问题。

再如在解释不确定关系时，我们都听说过薛定谔猫的说法，薛定谔提出了著名的薛定谔方程，解决了微观世界的粒子状态问题，那么不确定关系是否也适用于我们宏观世界呢？

薛定谔用猫做了一个理想实验浅显易懂的表明了我们世界的不确定因素。

把一只猫放在全密封的箱子里，用一支手枪对准猫，如果有一个放射性原子发生衰变那么就开枪打猫，我们从概率论得知这个事件发生的概率为百分之五十，如果我们打开箱子，我们会发现这个猫要么死了要么还活着，而从量子力学的角度看，在开枪之前这个猫要么是处在死的状态.要么是处在生的状态或者处在死和生的混合状态，但是猫不可能一半死了一半还活着吧，猫的过去每一个状态都是有一定的概率的，在不同的历史状态下，猫所处的每种状态下的概率也是不一样的，有时候它们之间会相互抵消，但是在特定的历史下，最靠近该历史的状态的概率会相互叠加，从而使概率加强，我们要知道开枪之前猫的状态，我们只能从这些加强的概率中得出猫之前的状态，在量子力学中猫存在两种加强的历史状态，一种是死了，另一种是存活。

3．理想实验在物理教学中的作用

3.1理想实验中的理想模型在物理教学中的应用。

在物理教学中有时候我们为了解决问题的方便，经常会忽略影响问题的次要因素，把所要研究对象变成一个理想模型，把处理问题的过程理想化，比如在固体物理学中的我们考虑一维单原子链振动时，一维单原子链本身就是一个理想模型，在计算过程中我们所采用的玻恩—卡曼条件就是一个理想化的条件，玻恩—卡曼把一维原子链首尾相连变成一个环状，从而使我们更容易计算，其对结果也没有多大的影响；再如固体物理学中的徳拜模型和爱因斯坦模型.近自由电子近似模型.尽束缚近似模型等，再如经典物理学中的质点.点电荷.刚体理想气流.理想气体.原子和模型等都是一些都是为了研究问题的方便而建立的理想模型，由此可见理想模型以及理想过程对物理教学中实验的重大作用，我们要充分利用理想实验的这种理想化的思维过程，深刻的去理解物理学中的实验，从而培养我们的创造性思维，提高我们大脑的想象能力。

3.2理想实验在物理教学中的作用。

在物理教学中如果运用理想实验更能促进学生对知识的理解和掌握，加深学生对概念的理解，同时可以培养学生的想象思维和创造思维。

比如在上力学中的刚体那一节时，同学们不能够理解什么样的物体就是刚体，于是老师可以随手拿一个黑板擦等之类的物体，可以告诉同学这样的物体就是刚体，理想实验中的理想模型提高了课堂的效率，增强了学生学习的兴趣，使物理课堂变得更加活跃更加有趣。

4总结

通过伽利略的斜面理想实验开启了经典物理力学之门，打破了保守的错误观念，麦克斯韦“妖”完善了热力学第二定律，爱因斯坦巧妙设计理想实验建立了狭义相对论，薛定谔猫的理想实验有助于我们更好的理解世界物质的不确定关系，理想模型在物理教学中能够假设学生对物理知识的理解等，由此可见理想实验在物理学中起着非常重要的作用，当然理想实验也有它本身的不足，比如它不能够在现实生活中得到检验，无法实际操作，它只能补充和完善已有的科学实验。

理想实验不仅在物理学中是一种重要的研究方法，在如今各个领域的科学技术上都起着重要的作用，我们无法操作的实验可以先通过设计理想实验，来模拟真实的实验，以此来达到我们想要的目的。

致谢

经过两个多月的忙碌工作，本次毕业论文的设计初稿已经接近尾声，作为一个本科生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及同学们的支持，想要完成这篇论文是难以想象的。

在论文写作过程中，得到了丁俊英老师的亲切关怀和耐心的指导。

从课题的选择到项目的初稿完成，丁老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

丁老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

在此谨向丁老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在论文初稿即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文初稿的顺利完成，有很多可敬的师长、同学、朋友、亲人给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

谢谢你们!

参考文献：

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[2]张兴万.樊兴桥.许艳.谈理想实验在物理学中的作用[J].保山师专学报,2000,（4）.

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[4]郭海鸥.物理学历史上的理想实验及其影响[J].自然科学报,1998,（4）.

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