中學物理美學的內涵議論文
2023-07-01 22:08:52 2
物理學是一門揭示物質存在與運動規律的自然科學。它科學地揭示了自然規律,同時也展示了自然、人類與科學的藝術魅力。物理中有自然的美,也有科學和藝術的美。
一、物理現象的自然美
中學物理涉及力、聲、熱、光、電、磁和原子物理等內容,物理現象千姿百態、美妙無窮。如星移鬥轉、日夜交替、春秋輪迴、物態互變等自然規律,因有序而美;光的反射與倒影、折射與海市蜃樓、色散與彩虹、日食和月食都有奇異的美。人類在研究和應用物理方面創造的輝煌成果,是美的精品。蒸汽機、發電機、雷射器、電子對撞機的發明,步步促進人類生產、生活和高科技的發展;「阿波羅」登月成功,「嫦娥奔月」的傳說變成了現實美談,「神五神六」暢遊太空再次實現人類超載地球之夢;眾多的太空飛行器和衛星正在全球通訊、氣象觀測、國防和科研等方面建功立業;電磁技術、雷射技術、能源開發技術突飛猛進;核電站、太陽能電站的相繼林立充分展示了物理前景無限美好。
二、物理理論的科學美
現代物理學家楊振寧教授說過:「科學中存在美,所有的科學家都有這樣的感覺」。物理學具有簡單、對稱、和諧與新奇方面的科學美感,是「審美者通過理解、想像、邏輯思維所體驗到的美。」1、簡單美
愛因斯坦認為評價一個理論美不美的標準是原理上的簡單性。揭示自然規律,物理學具有高度概括性和簡明美麗的特點。「寧可尋求簡單」是科學家研究物質世界的邏輯和手段。在範疇廣泛、現象規律複雜的物理領域中,物理學家把龐大的物理空間縮小為「場」,把紛繁各異的物質稱為「粒子、質點」,藉助文字和數學表述其內在規律,充分突出簡單美的觀點。物理中的簡單美首先體現在文字簡練,如力的定義為「物體間的相互作用」,光的本性為「波粒二象性」,言簡意駭。模型的觀點和數學公式的應用使這種簡單美幾乎到了極限。如物理學家提出質點、單擺、理想氣體和點電荷;勻速直線運動、自由落體運動、彈性碰撞等模型的觀點,再用公式定義物理量和表達物理規律,大大簡化了物理問題,簡潔準確。如速度、密度、電流強度等物理量分別用v=s/t,ρ=m/V,Ι=Q/t公式定義,其它物理量也都有相應的表達式;牛頓第二定律、愛因斯坦的質能關係、歐姆定律、動量守恆定律的表達式分別是:F=ma,E=mc2,I=E/(R+r),ΔP=0,等等。這些定義、定律科學地反映了物理運動的客觀規律,而其中的數學語言科學準確、十分簡潔優美。
2、和諧美
和諧是指由於相互之間恰到好處在整體上顯示出的協調,它給人以統一、自洽、對應的美感。科學理論、規律的簡單形式要與其深廣科學內涵和諧統一才美。物理中的和諧美主要體現在物理理論形式與內容的統一,各個研究領域理論的協調以及物理與其他學科理論和諧方面。牛頓力學被譽為科學美的典範,主要歸功於牛頓定律形式簡單,內涵豐富,和諧統一。例如有了「牛二定律」,小到雨滴、大到天體的萬物運動規律都被統一於「F=ma」的簡單原理中去,它的美學價值就在於把宏觀運動統一了起來。愛因斯坦的質能關係「E=mc2」,形式也十分的簡潔,卻深刻地揭示了自然界微觀和宏觀無數質能變化的規律,集簡單與和諧美於一體。和諧美還表現在各知識體系理論的協調性。物理學知識體系龐大,它們遵循各自的內在規律又互相聯繫,構成統一體。歷史上,人們對光的本性認識從牛頓的微粒說到惠更斯的機械波動,從麥克斯韋的電磁波動到愛因斯坦的光子說,表面上看似乎衝突,最終卻被電動力學所統一,其對立的理論被有機地統一了起來,充分體現了物理世界的和諧美。無論是力學、光學、熱學、電磁學還是原子物理學都提到能量的轉化和利用問題。自然界的一切現象都因為能量而互相聯繫,各個領域的物理理論也因能量關係達到最終的統一,科學和世界構成了和諧體。物理現象不是孤立的,物理理論和其他學科理論密切聯繫,通過質量守恆和能量守恆統一起來,成為人類認識和改造世界的武器。
3、對稱美
對稱性給人的美感是「圓滿、均衡和協調」。人們這樣描述對稱性:若圖形通過某種操作(如時空坐標系的改變,尺度的放大和縮小)又回到它本身,則這樣的圖形具有對稱性。對稱性的概念應用於物理,研究對象不僅是圖形,還有物理量和物理規律。「對稱美」在物理中顯而易見。從空間角度看,原子的核式結構、晶體的空間點陣、磁體的兩極是對稱的;物體的上升下落,圓周運動是對稱的;物體的平衡、彈性形變、簡諧振動具有對稱性;平面鏡成像、光與波的反射、電磁場的力線分布更具有對稱美。從時間角度看,行星的公轉與自轉、理想單擺和簡諧振動、波的傳播都具有時間周期性的對稱美。對稱性的美學意境引起很多科學家的心馳神往,從伽利略時代開始,物理學家就把追求理論上的對稱性作為一種有效的研究手法,並取得了成功。例如牛頓發現萬有引力(F=Gm1m2/r2)和庫侖的靜電力(F=Kq1q2/r2)非常對稱;法拉弟受奧斯特「電生磁」現象的啟發之後發現了「磁生電」的現象,進一步揭示了電磁聯繫;後人還發現電場和磁場在規律上有許多驚人的對稱關係。
4、新奇美
「新奇」也是物理美的特點。物理學發展到今天,無論是理論方面還是實踐方面都是碩果纍纍,新穎的發明創造和新奇的理論成果層出不窮。象脈衝星、重輕子的發現;蒸汽機、雷射器、電子對撞機的發明;牛頓力學理論、麥克斯韋電磁學理論、愛因斯坦相對論的創立等等都是體現新奇美的物理成就。尤其是物理理論提出的是關於自然界的新知識,具有獨創和新穎的特點,這正是其審美價值的所在。「新奇之所以被看作是科學美的重要特徵,因為它體現了科學理論發現中的藝術因素。」瀏覽牛頓著作,我們可以體會到他的力學體系理論所包含的新奇和獨創魅力。牛頓致力於探索宇宙系統的結構、萬物運動的規律。他以驚人的開拓精神和獨特的思維方式建立了運動三大定律和萬有引力定律,為人類今天對宇宙的認識開闢了道路。偉大的愛因斯坦一生中創立了很多新奇的物理理論,其中「相對論」是新奇美的典範,它富有獨創性,開創了物理學的新紀元,成為未來科學發展的理論基礎。
三、物理學家的精神美
物理理論的科學美具有很高的審美價值,而物理學家的精神美堪稱無價之寶。中學生無論是從哥白尼的故事、愛迪生的發明,或者法拉第的發電機、周光召的原子彈,還是牛頓定律、麥克斯韋方程與愛因斯坦理論都能領略到偉人美的風範。回顧物理學的發展史,可知這座輝煌的殿堂,凝聚了多少人的智慧和心血。其中牛頓和愛因斯坦這兩位科學巨人,永遠是中學「德育」和「美育」的典範。牛頓(1642—1727):英國物理學家和數學家,是17世紀科學革命的頂峰人物,因發現力學三大定律和萬有引力被譽為「科學之父」。愛因斯坦(1879—1955):德國物理學家,被公認為人類歷史上最具創造才智的人物之一,他獨創的「相對論」家喻戶曉,他的一生對人類認識宇宙的貢獻是巨大的。物理學家被自然中的新奇吸引,激發奇妙的設想,在壯美奇觀中進行智力探險,經歷曲折艱辛和生死攸關,通過優美的實驗以及科學的推理驗證假設,從而得出完美的理論。他們這種艱苦卓越的探索過程所包含的藝術創造與獻身科學的精神美是無與倫比的。所有的科學家,都具有偉大的思想和天才的智慧,不餒的精神和高尚的品格。他們給人類留下了豐富的物質和精神財富。科學是美的,創造科學的人更美。
總之,物理現象五彩繽紛,其中有直觀亮麗、奇特美妙的自然景觀;也有簡潔優美、博大精湛的理論科學;還有千古留芳、永不磨滅的藝術足跡。把「物理美」延續下去,我們責無旁貸。
