摘要:本文主要阐述中学物理在自然美、科学美和精神美方面的美学内涵,让广大师生充分认识物理美,加强在物理教学中实施美育渗透,全面推进素质教育。

关键词: 自然美、科学美、精神美

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。

二、物理理论的科学美

现代物理学家杨振宁教授说过:“科学中存在美,所有的科学家都有这样的感觉”。物理学具有简单、对称、和谐与新奇方面的科学美感,是“审美者通过理解、想象、逻辑思维所体验到的美。” 1、简单美

爱因斯坦认为评价一个理论美不美的标准是原理上的简单性。揭示自然规律,物理学具有高度概括性和简明美丽的特点。“宁可寻求简单”是科学家研究物质世界的逻辑和手段。在范畴广泛、现象规律复杂的物理领域中,物理学家把庞大的物理空间缩小为“场”,把纷繁各异的物质称为“粒子、质点”,借助文字和数学表述其内在规律,充分突出简单美的观点。物理中的简单美首先体现在文字简练,如力的定义为“物体间的相互作用”,光的本性为“波粒二象性”,言简意骇。模型的观点和数学公式的应用使这种简单美几乎到了极限。如物理学家提出质点、单摆、理想气体和点电荷;匀速直线运动、自由落体运动、弹性碰撞等模型的观点,再用公式定义物理量和表达物理规律,大大简化了物理问题,简洁准确。如速度、密度、电流强度等物理量分别用v=s/t,ρ=m/V ,Ι=Q/t公式定义,其它物理量也都有相应的表达式;牛顿第二定律、爱因斯坦的质能关系、欧姆定律、动量守恒定律的表达式分别是:F=ma,E=mc2,I=E/(R+r),ΔP=0,等等。这些定义、定律科学地反映了物理运动的客观规律,而其中的数学语言科学准确、十分简洁优美。

2、和谐美

和谐是指由于相互之间恰到好处在整体上显示出的协调,它给人以统一、自洽、 对应的美感。科学理论、规律的简单形式要与其深广科学内涵和谐统一才美。物理中的和谐美主要体现在物理理论形式与内容的统一,各个研究领域理论的协调以及物理与其他学科理论和谐方面。牛顿力学被誉为科学美的典范,主要归功于牛顿定律形式简单,内涵丰富,和谐统一。例如有了“牛二定律”,小到雨滴、大到天体的万物运动规律都被统一于“F=ma”的简单原理中去,它的美学价值就在于把宏观运动统一了起来。爱因斯坦的质能关系“E=mc2”,形式也十分的简洁,却深刻地揭示了自然界微观和宏观无数质能变化的规律,集简单与和谐美于一体。和谐美还表现在各知识体系理论的协调性。物理学知识体系庞大,它们遵循各自的内在规律又互相联系,构成统一体。历史上,人们对光的本性认识从牛顿的微粒说到惠更斯的机械波动,从麦克斯韦的电磁波动到爱因斯坦的光子说,表面上看似乎冲突,最终却被电动力学所统一,其对立的理论被有机地统一了起来,充分体现了物理世界的和谐美。无论是力学、光学、热学、电磁学还是原子物理学都提到能量的转化和利用问题。自然界的一切现象都因为能量而互相联系,各个领域的物理理论也因能量关系达到最终的统一,科学和世界构成了和谐体。物理现象不是孤立的,物理理论和其他学科理论密切联系,通过质量守恒和能量守恒统一起来,成为人类认识和改造世界的武器。

3、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。“对称美”在物理中显而易见。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。例如牛顿发现万有引力(F=Gm1m2/r2)和库仑的静电力(F=Kq1q2/r2)非常对称;法拉弟受奥斯特“电生磁”现象的启发之后发现了“磁生电”的现象,进一步揭示了电磁联系;后人还发现电场和磁场在规律上有许多惊人的对称关系。

4、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。“新奇之所以被看作是科学美的重要特征,因为它体现了科学理论发现中的艺术因素。”浏览牛顿着作,我们可以体会到他的力学体系理论所包含的新奇和独创魅力。牛顿致力于探索宇宙系统的结构、万物运动的规律。他以惊人的开拓精神和独特的思维方式建立了运动三大定律和万有引力定律,为人类今天对宇宙的认识开辟了道路。伟大的爱因斯坦一生中创立了很多新奇的物理理论,其中“相对论”是新奇美的典范,它富有独创性,开创了物理学的新纪元,成为未来科学发展的理论基础。

三、物理学家的精神美

物理理论的科学美具有很高的审美价值,而物理学家的精神美堪称无价之宝。中学生无论是从哥白尼的故事、爱迪生的发明,或者法拉第的发电机、周光召的原子弹,还是牛顿定律、麦克斯韦方程与爱因斯坦理论都能领略到伟人美的风范。回顾物理学的发展史,可知这座辉煌的殿堂,凝聚了多少人的智慧和心血。其中牛顿和爱因斯坦这两位科学巨人,永远是中学“德育”和“美育”的典范。牛顿(1642—1727):英国物理学家和数学家,是17世纪科学革命的顶峰人物,因发现力学三大定律和万有引力被誉为“科学之父”。爱因斯坦(1879—1955):德国物理学家,被公认为人类历史上最具创造才智的人物之一,他独创的“相对论”家喻户晓,他的一生对人类认识宇宙的贡献是巨大的。物理学家被自然中的新奇吸引,激发奇妙的设想,在壮美奇观中进行智力探险,经历曲折艰辛和生死攸关,通过优美的实验以及科学的推理验证假设,从而得出完美的理论。他们这种艰苦卓越的探索过程所包含的艺术创造与献身科学的精神美是无与伦比的。所有的科学家,都具有伟大的思想和天才的智慧,不馁的精神和高尚的品格。他们给人类留下了丰富的物质和精神财富。科学是美的,创造科学的人更美。

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。

参考文献:

《素质教育全书》,舒达、蒋长好,1997年经济日报出版社出版。