让学生感受物理的科学美

范永志

物理学本身是一个美的世界,蕴含着丰富的科学美,认识与发掘物理中的美,从美的角度去认识物理、研究物理,可以提高学生学习物理的兴趣,加深对物理的理解,培养科学的审美观念。

物理学的研究对象大到天体,小到共振粒子,从实体到另一形态的场、光等都是物质的。物质又是运动的,如机械运动、分子热运动、电磁运动、光波传播,实际上是不同形态物质的不同运动形式,它们的运动是有规律的,自然界是合理的、简单的、有序的。因此,科学家们在探索真理的过程中,往往以科学美作为追求的目标,通过他们的努力而形成物理理论,在内容上、形式上是那么自然、简单、和谐,无不散发出美的光辉。教师平时教学中应向学生展示物理知识的美的一面,激发学生爱美的天性。例如:物理内容的简单美,表现在物理概念、规律的表达上:科学、准确、简洁。热现象是众多物理学家争论了一个多世纪的问题,却以“大量分子的无规则运动”十个字做了结论;物理学的对称美,给人一种圆满,匀称的美感;运动与静止,匀速与变速,引力和斥力,反射和折射,运动及其运动规律的对称性而产生的美感。物理学理论内部相互自洽而展现和谐美,自由落体、竖直上抛、下抛以及各种直线的匀加速与匀减速运动都可以统一于运动学的速度和位移两个公式中,牛顿力学公式,可以把地上的物体与天上的星体统一起来。由此可见,教学中只要我们善于发掘,物理学中的各种美学特征便会随处可见。下面从更深层次角度来感受中学物理中的“美”。

一、物理知识的哲学美

在讲电学伏安法测小灯泡的电阻时巧妙的渗透了“测不准原理”的思想,当电流表内接时,测出的小灯泡的电流是准确的,而测出的电压偏大,因此计算出的小灯泡的电阻就比实际的电阻偏大,如果采用电压表内接的方法,测出电压是准确的,但测出的电流又将偏大,这样计算出的小灯泡的电阻又将偏小,因此无论如何改进实验,都不能完全准确的计算出被测小灯泡的电阻,测量在方法上本身就有欠缺,但我们又很难改变。进而授课教师顺水推舟的阐述杨振宁和李政道的理论:原子物理学中的“空间和时间不能同时测准”的著名测不准原理,让学生体会“鱼和熊掌”不可兼得的哲理。

二、物理学中的统一美

物理所研究的是从不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性,通过这种联系和共性构成一个统一的理论体系,这就是科学美中的多样性统一美。在物理中一些表面看来不相同的概念、定理、定律,在一定的条件下可以处于统一的系统中。中学物理中这种多样性统一美的例子是很多的,如:描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律是各种各样的,表面并不相关,牛顿力学却能把所有物体的机械运动规律都统一起来;麦克斯韦的电磁理论, 又把表象完全不同的电、磁、光的运动统一了起来,所以牛顿力学理论和麦克斯韦的电磁理论都具有统一美。

三、物理学中的模型美

物理源于客观实体,但又高于客观实体,物理是通过建立抽象的、理想的模型来作为构造理论体系的基础,这些模型和理论都具有模型美。例如物理中的电场线和磁感线是一类抽象模型,它们都是为了形象描述客观实体电场和磁场的性质所画出的具有一定规律并且颇具美感的线条,这些线条以美的形态把抽象的场变为能够为视觉感受到的模型,模型在体现模型美的同时也体现了电场和磁场的抽象美。

四、物理学中的状态美与过程美

物体的运动变化往往是连续的,用牛顿运动定律及运动学规律可以求出某一瞬间的有关物理量,这些瞬间的量就构成了问题过程的细节,所构造出的物理情景以其连续性呈现出过程美;状态美则体现对定态量的定义和数量上的把握,动能、势能、动量等都是定态量,无论动量守恒、还是机械能守恒都体现了状态量对定态变化前后的一致性,使物理的状态情景具有美感。学习物理既要善于从状态、定态上去把握物体,又要善于从过程、动态上去掌握运动变化的规律,从定态和动态中去理解、去体验物理情景的状态美与过程美,通过美化物理情景来达到活化物理情景,从而能使学生对物理的理解从科学美上得到形象化的拓宽和加深。

五、追求真理的精神美

在教学中把物理知识的发现史讲给孩子们听,通过科学家为捍卫真理,追求真理的过程,让学生体会物理学中的精神之美,如哥白尼——深信日心说的完美与和谐;布鲁诺——用生命捍卫真理的英名和美德;牛顿——我有幸捡到美丽的贝壳,是因为我站在巨人的肩上;居里夫人——用祖国的名字来命名新发现的元素;钱三强、钱学森——放弃国外优越的生活条件回国报效祖国。

罗丹有一句名言:“生活中并不缺少美,而是缺少美的发现”。物理教学也同样如此,因此物理作为自然科学的一门主科,在中学物理教学中,就应更多地追求教学中的科学美,指导学生从科学美的方面去认识物理、学习物理,这样一定可以使学生对物理的理解在科学审美中得到飞跃和升华。

作者单位:广东省佛山市顺德区龙江中学