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浅议物理学中的美学

  【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2014)10-0132-01
  物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学。它科学地揭示了自然规律,同时也展示了自然、人类与科学的艺术魅力。物理中有自然的美,也有科学和艺术的美。
  一、物理学的美表现在以下几个方面:
  1.物理学发展过程中的精神美
  在物理学发展的过程中,物理学家在探索物理学规律的艰辛旅程中,一方面总是伴随着对美的热烈追求,另一方面又强烈的表现出他们精神上的种种美德。哥白尼与托勒密地心说的决裂,就是有其执着追求美的因素,他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。托勒密为了解释天文观测的现象,引入了许多“均轮”、“本轮”,使得天文理论既复杂又失洽。
  2.物理现象的自然美
  中学物理涉及力、声、热、光、电、磁和原子物理等内容,物理现象千姿百态、美妙无穷。如星移斗转、日夜交替、春秋轮回、物态互变等自然规律,因有序而美;光的反射与倒影、折射与海市蜃楼、色散与彩虹、日食和月食都有奇异的美。人类在研究和应用物理方面创造的辉煌成果,是美的精品。蒸汽机、发电机、激光器、电子对撞机的发明,步步促进人类生产、生活和高科技的发展;“阿波罗”登月成功,“嫦娥奔月”的传说变成了现实美谈,“神五神六”畅游太空再次实现人类超载地球之梦;众多的航天器和卫星正在全球通讯、气象观测、国防和科研等方面建功立业;电磁技术、激光技术、能源开发技术突飞猛进;核电站、太阳能电站的相继林立充分展示了物理前景无限美好。
  3.物体的运动美
  宇宙中的一切物体都在永不停息的运动。物理学中声、光、电的传播,电子的旋转,天体的运动等都体现出美的旋律。像直线运动表现的刚性美;曲线运动表现出柔性美;匀速运动呈现节奏美;变速运动呈现出变化美。
  4.物理规律的简洁美
  简洁美是以简单、洁净呈现其美感,简洁美是科学美的特征之一。自然界的现象是错综复杂的,然而自然界本身却是简单和谐的,因此研究的方法和规律的表述方式也是简单的,科学家们用最精炼的语言,最少的符号,最简单的形式来表达知识。正如著名的物理学家爱因斯坦所说:“真实的世界在逻辑上总是简单的。”所以,作为反映物体运动变化规律的物理来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受,物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。
  5.物理规律的和谐美
  自然界本身是一个和谐的整体,支持其运行的自然规律也应具有和谐性和统一性。而以其为研究对象的物理学必然会体现这一特性。爱因斯坦曾说过“如果不相信我们的理论结构能够领悟客观实在;如果不相信我们的世界的内在和谐性,那就不会有任何科学。”和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。
  6.对称美
  对称美是指整体各部分之间的相称或对应,如空间上的和谐布局,时间上的节律协和。对称之所以让人产生美感,是因为对称中存在着某种“重复”、“均衡”、“有序”的东西。科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美,借助于建筑美学很容易理解对称美概念,一些建筑物外表的对称显示出一种空间方位上对称的美感,我国古建筑如天安门、天坛、故宫等就呈现出庄严稳重的对称美。人类传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称,而物理学中的对称美既有物理现象的对称美,比如引力与斥力,“电生磁”与“磁生电”,粒子与反粒子,物质与反物质等等;还有公式的对称如:
  动量守恒定律表达式
  机械能守恒定律表达式
  理想气体状态方程=等都具有平稳庄重的对称美。
  对称性给人的美感是“圆满、均衡和协调”。人们这样描述对称性:若图形通过某种操作(如时空坐标系的改变,尺度的放大和缩小)又回到它本身,则这样的图形具有对称性。对称性的概念应用于物理,研究对象不仅是图形,还有物理量和物理规律。从空间角度看,原子的核式结构、晶体的空间点阵、磁体的两极是对称的;物体的上升下落,圆周运动是对称的;物体的平衡、弹性形变、简谐振动具有对称性;平面镜成像、光与波的反射、电磁场的力线分布更具有对称美。从时间角度看,行星的公转与自转、理想单摆和简谐振动、波的传播都具有时间周期性的对称美。对称性的美学意境引起很多科学家的心驰神往,从伽利略时代开始,物理学家就把追求理论上的对称性作为一种有效的研究手法,并取得了成功。
  7.新奇美
  “新奇”也是物理美的特点。物理学发展到今天,无论是理论方面还是实践方面都是硕果累累,新颖的发明创造和新奇的理论成果层出不穷。象脉冲星、重轻子的发现;蒸汽机、激光器、电子对撞机的发明;牛顿力学理论、麦克斯韦电磁学理论、爱因斯坦相对论的创立等等都是体现新奇美的物理成就。尤其是物理理论提出的是关于自然界的新知识,具有独创和新颖的特点,这正是其审美价值的所在。
  二、物理学的美在教学中的作用
  1.可激发学习兴趣、提高学习效率。
  教学实践证明,学生学习的主动性与兴趣有密不可分的关系。审美感作为构成意识行动的重要因素之一,能够转化为探索未知世界的巨大动力。所以在教学中让学生感到物理现象、实验、理论之美可以使学生产生学习物理的兴趣,进而达到提高学习效率的目的。
  2.促进知识的理解与掌握、促进创造思维的发展。
  美感的这个作用可以概括为“以美启真”,它是美感与理智的内在联系。一方面促进学生对知识的理解与掌握;另一方面启发学生解决问题时不满足已有的结论,去探索更巧妙、更简单的方法。这些创造性的学习活动,能促进创造性思维的发展。
  3.激发教师的教学情绪、提高教学效果。
  教学过程不仅仅是知识的传授过程,也是情感生活的过程,更是艺术创造的过程。教师有了这种美感,就会感到自己的教学犹如艺术家对艺术的追求一样永无止境;对教学工作产生极大的乐趣和热情,把全部精力投进去,深入钻研教材,研究教法,掌握教学规律,努力挖掘教材所包含的理性之美。精心设计教学过程,使学生也充分感受到美之所在。这种美感与理智互相渗透、融洽产生“谐振”时,教学就能产生最佳效果。
  总之,物理现象五彩缤纷,其中有直观亮丽、奇特美妙的自然景观;也有简洁优美、博大精湛的理论科学;还有千古留芳、永不磨灭的艺术足迹。把“物理美”延续下去,我们责无旁贷。


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