浅议物理学中的“美”

郑玉香

【摘要】 物理学中的美主要体现在精神美、简洁美、对称美、和谐美、统一美等方面,物理教学工作者要培养学生的审美能力,引导他们自觉地追求科学美。

【关键词】 物理美;精神;简洁;对称;和谐;统一

“生活中并不缺少美,而是缺少美的发现”,物理教学也是如此。物理学中美的例证比比皆是,但物理学本身并不是美学,能否把摆在我们面前的物理教材从僵硬的铅字变成闪烁着美的光彩的画册,从抽象的概念、公式变成动人的诗篇,关键要靠教师从教学内容中挖掘出美的因素,并通过美的设计,在课堂教学中充分展示出物理学科的美学特征和美的意境,使学生潜移默化地受到美的熏陶和美的培养。

一、伟大科学家的精神之美

在物理学发展过程中,物理学家在探索规律的艰辛旅程中,一方面伴随着对美的追求,另一方面表现出他们精神上的种种美德。这些都是美学因素,物理学家对美的追求和他们的人生美德,可以启迪学生的智慧,引发学生的兴趣,激励成功的意志,养成他们良好品德。

哥白尼与托勒密“地心说”的决裂,就是他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。托勒密为解释天文观测的结果,引入“均轮”“本轮”,使得天文理论又复杂又失真。因此,在极其困难的情况下,哥白尼不畏艰难险阻,研究三十年,建立了“日心说”。后来,开普勒深切感受到“日心说”的真,毅然抛弃“地心说”的观点。

电磁学的发展在很大程度上得益于对称美的启示。法拉第深信电与磁是对称的,他认定既然电能生磁,那么磁也能省电。他坚持奋斗十年,终于发现了电磁感应现象。

二、简洁之美

在千姿百态的物理世界里,尽管各种现象千差万别,但在本质上都可归结为若干基本的物理规律,这就是物理学上的简洁之美。例如:运动和力的关系,曾经困惑人类几千年,但一旦揭开其面纱,呈现出的关系“F=ma”却如此简单;爱因斯坦的质能方程E=mc2,形式十分简单,内容却极其丰富———用最精炼的语言、最少的符号,揭示了奥妙无比的自然规律,所表现的简洁美令人叹为观止;开普勒行星运动第三定律: R3PT2 = 常量,其形式如此简单,太阳系中所有行星的运动都符合这一规律,奇妙的“2”和“3”使一切井然有序,开普勒不愧为“天空立法者”的称号。而方程中出现的自然界极限速度———光速,又在简单之中勾起人们对神秘的无限遐想

三、对称之美

所谓对称,是指一物体或一系统各部分之间比例的平衡与协调,由此能够产生一种简单性和美的愉悦。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。

物理世界中存在多种对称形式:作用力与反作用力、正电与负电、电与磁、吸引与排斥、正粒子与反粒子等。物理学理论中所体现出的对称性则从更高层次上揭示了自然界的对称性,与次同时,物理学家们已经把对称性原理作为科学研究的强有力的工具。在物理学理论中,有许多我们所熟知的守恒定律,如能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律等,而这些定律则是物理规律具有多种对称性的必然结果。如能量守恒与时间对称性相联系。角动量守恒与空间对称性相联系等,对称性与守恒定律之间的联系已经成为现代人们探究自然界的基本出发点之一,而这一联系也深刻的揭示了自然界的对称美。

四、和谐之美

中学力学,主要研究牛顿运动定律,牛顿从和谐美的角度吸收了伽俐略对运动的研究成果,得出牛顿第一、第二定律,又从开普勒第三定律出发,总结归纳出物体之间万有引力相互作用的公式: F万有引力=Gm1m2/r2,而这正是开普勒的整个“宇宙物理学对称之美”和谐运动和有次序结构的原因,并维持其现在图景的基本作用之一,也是伽俐略自由落体定律的依据。

千姿百态的物理世界中,反映物理事物的特性及规律的物理知识构成了既千变万化又和谐统一的完美图景。如磁通量把本来并不存在的抽象物理模型——磁感线与描述客观存在的磁场强弱的物理量—磁感应强度有机地联系起来,这就充分体现了和谐美的主要特征:协调有序和多样统一。又如热学中理想气体的状态方程把玻意耳定律、查理定律和盖•吕萨克定律在理想条件下统一了起来,这又是和谐美的匀称流畅、多样统一。

惊人的简洁、神秘的对称、美妙的和谐等美学特征在物理学中随处可见,美不胜收。作为教师应充分挖掘美的因素,让这些光辉灿烂的物理学之美从史学家的殿堂之中走出来,像蒙蒙春雨悄悄地给予,静静地注入,让它的光辉普照学生们求美若渴的心田。这样展现在学生面前的将不再是死气沉沉的公式和呆板的事实,而是一串串闪光的珍珠,使学习和探索物理成为学生追求科学和人生意义的自觉行动。以追求美而探索,在探索中创新。

参考文献

1 邵长泰. 物理(基础版) [M] . 北京: 高等教育出版社,20031

2 杨辛 甘霖.《美学入门》.湖北教育出版社

3 朱慕菊. 走进新课程[M] . 北京:北京师范大学出版社,20021

4 刘兆吉,《中学美育心理学12讲》,四川民族出版社,1993年版