怎样让中学生亲近物理之美

刘建荣

(江苏省如东高级中学,江苏如东 226400)

1 问题的提出

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,爱因斯坦曾经描述说,物理学是至善至美的科学,他还特别把物理的美归纳为“简单、和谐、完善、统一”.历史上的科学家更是把自己所发现的科学规律描绘得美不胜收,哥白尼为他的日心说这样写道:“所有的这些轨道的中心便是太阳,难道说在如此富丽堂皇的宫殿里,还能找出比这更好的地方来安置这样一盏美妙的明灯使它能从这儿照亮一切吗?”玻尔发现电子模型后,爱因斯坦赞叹道:“这是思想领域中最高的音乐神韵.”“物理学的原理有它的结构,这个结构有它的美和妙的地方,而各个物理学工作者,对于这个结构的不同的美和妙的地方,有不同的感受.因为大家有不同的感受,所以每位工作者就会发展他自己独特的研究方向和研究方法,也就是说他会形成他自己的风格.”杨振宁如此说.

这些科学家们对物理美妙的理解登上了科学的巅峰,我们作为物理教学工作者也应该让我们的学生亲近物理的美妙,以达到开发学生多元智能的目的,让学生以一种享受知识的姿态走进科学的殿堂.下面本人就怎样让中学生亲近物理之美谈谈自己的认识.

要让学生亲近物理之美.在物理教学中可以从下面几个方面来渗透物理之美.

2 物理现象之美

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、光的衍射和干涉都有奇异的美;电磁现象的认识,原子能的利用,太空遨游,星际旅行都给人以震撼之美.

课堂上通过视频展示,实验演示,图文并茂的讲解,让学生欣赏、震撼,激发学生学习物理的兴趣.

3 物理理论之美

3.1 统一美

客观物质世界尽管丰富多彩,但是其本质上具有统一性.那么描述和揭示客观世界的物理现象及物理规律的物理学也是具有统一性的,它显示出一种崇高的美.诚如爱因斯坦所说:“从那些看来直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉.”因此,追求理论的统一性,也就成为物理学大师们坚定不移的信念和始终不渝的目标.正如物理学上电和磁的统一理论— —麦克斯韦理论.爱因斯坦为电磁作用与弱相互作用的统一耗尽了后半生精力.

在课堂上让学生了解科学家们的大统一的思想,成为他们将来认识和改造世界的武器.

3.2 简单美

3.3 和谐美

物理学的和谐性主要表现在其学科自身内容协调和形式匀称,而且与其他认识体系是相容的、一致的.理论的各个部分以及各种理论之间的和谐、形式的对称,无疑能给人一种和谐的美感.电磁波与光理论、万有引力定律与电荷相互作用的库仑定律这种惊人的相似,能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律、质能方程等反映这种物理的和谐美感.对称也是和谐的重要组成部分,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.例如法拉第受奥斯特“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.近50年来,粒子物理与场论飞速发展,对称性的指引在其中起了决定性的作用.在粒子物理中,物理学家根据对称性预言并发现了正电子.在课堂教学中,一定要应用列表法,比较教学法把相关的知识进行比较对照学习,罗列分类记忆,可以大大提高学生学习的效率,同时进一步让学生了解到物理和谐美的价值.

3.4 新奇美

“新奇”也是物理美的特点.奇异美表现于物理概念、理论、模型等的新颖与奇特,表现在它们能够巧妙地解释物理现象.这新理论往往与我们的常识有多多少少的出入,但我们又会觉得不接受不行.比如说反物质、物质波的概念,正反粒子相撞而湮灭的观念,运动的时钟变慢、运动的尺子变短、光线弯曲等理论,大大出乎了人们的意料.这些新颖、奇特、大胆、富有创造性的结论,无不使人们在惊奇之余产生奇异而和谐的美感.物理奇异思维其实就是创新思维,物理学家正是利用了奇异思维,才创立了各种美妙的模型和学说.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.除了要让学生了解科学家们的创造性成就的意义,还要告知学生创新是科学发展的源泉,是人类进步的阶梯,在课堂上要鼓励学生发表自己独到的见解,鼓励学生一题多解,乃至于从学生的错解中发现创新.

3.5 预见美

预见性是科学美的又一重要表现,由于客观世界发展是有规律可循的,具有一定的必然性,或者说在一定程度上具有客观的规定性(因果性),所以描述客观世界发展规律的科学就具有这种特性,这在数学上反映为物理规律满足一定的数学物理方程以及满足一定的统计规律,同时事物的规定性又反映了物理内涵与形式的相互联系、相互统一.如麦克斯韦预言了电磁波的存在,并建立了麦克斯韦电磁场理论.现在的天文学家可以预测日食、月食发生的时间和观测的地点.课堂上可以让学生根据所学知识预测实验结果,比如比较圆锥摆与单摆周期大小,让学生先通过对圆周运动知识和单摆周期公式的认识计算比较他们周期,再做实验比较.可以组织学生开展一些与物理知识有关的研究性学习,如“汽车超速的危害”、“日光灯故障分析及排查”、“电饭锅常见故障排查”等等.让学生获得学有所成、学有所用的感觉.

3.6 艺术美

如果说艺术创造美,那么物理也在创造着艺术,它为艺术的创造提供必要的物质基础和一定的理论依据.各种乐器之所以具有不同的音色和韵律,你是否注意到其中物理学的贡献,尤其是电子乐器和各种音响设备的出现,更能体现这一点.绘画艺术中更是离不开物理,国外超现实主义画家利用物理学中光声规律创造艺术品;节日的联欢晚会上,五彩斑烂,变幻莫测场面,更是离不开光;一幅全息图惟妙惟肖地真实重现了一个立体物体,这些都能给人以“艺术美”的享受,光学现象大都具有这种美感.在物理课堂上应适时向学生介绍声音和色彩形成的原理,让学生了解物理学在音乐美术领域的应用及对艺术的推动.

4 物理学家之美

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.在课堂上要舍得花时间去讲物理学史,要让学生知道,科学家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,我们在课堂上进行物理之美教育实现了让学生感悟和应用物理之美,影响和指导他的物理学习;引起学生学习物理的兴趣,减轻心理压力和学习负担,提高学习效率;促进学生理解与掌握知识,发展创新思维;促进智力发展;培养学生的品德;培养学生的审美能力和创造能力,进而完善学生的人生观和世界观.

1 张民生.中学物理教育学.上海:上海教育出版社,1999.

2 裴云鹏.物理教学中的美学渗透.物理教学探讨,1998(10).