谈谈高中物理学蕴含的美

丁映春

[摘要]美是真与善相统一的形式。美的事物对人们来说是容易接受、向往的。物理美学是科学美学在物理学科上的具体表现，在高中物理教学中有意展示物理之美，可以激发学生的学习积极性，加深学生对物理知识的理解，提高学生的科学素质。学生领悟了物理知识内的在美，就会在学习和运用物理知识中，主动探索、研究，并在此过程中体会和享受物理之美。

[关键词]高中教材物理教学物理之美

[中图分类号]G633.7[文献标识码]A[文章编号]16746058（2015）140000

美学是研究现实中美好事物的科学，是研究人对世界审美特点的。美学向自然学科领域的渗透，就产生了科学美。物理学中存在着各种成比例、有组织、有秩序、结构对称、和谐多样的美学景象。这些景象表现在理论体系、科学概念、数学方程的结构和体系中，也表现在逻辑结构的合理匀称和丰富多彩的相互联系上，能够激发人们的兴趣、喜悦，激发起巨大的创造热情。这些本质规律，逻辑特点给人：在心灵上以圆满、协调、自然的感受;在形式上以对称、比例、和谐与多样统一的感受，这就是物理学的美。如果物理学的理论不那么和谐，那一定是还有我们没有认识的东西，理论还需要进一步完善。物理学的美归纳起来包括“对称、简洁、和谐、多样统一”等。

一、对称美

对称美，就是物理学在揭示自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的过程中因对称性，而产生的美感。“对称美”在物理学中的表现有：时空对称、数学对称和抽象对称。

时空对称指的是物理现象（或系统）在时空变换下的不变性。物理学中的时空对称有空间对称、时间对称、时间和空间同时对称三种情形。如在光学和固体物理学中出现的空间对称;在交变电流和电磁振荡研究中出现的时间对称;物体竖直上抛和斜向上抛运动的上升过程与下降过程中的时空对称。

数学对称表示物理内容在数学形式（图与式）上的对称性。如电磁学中库仑力的平方反比定律的公式表达就是追求跟万有引力平方反比定律的对称而获得的。

抽象对称表示以抽象的方式所反映出的物理内容的对称。即从一个概念、一个命题或一个理论中所反映出来的对称性。如在创立广义相对论时，把电磁理论中的洛仑兹不变性作为对称性假设。正是这些抽象的对称性思考，有助于解开宇宙密码，推动物理学发展。

二、简洁美

物理学的美在于它的简洁，它客观地展现出“简洁”的风采。但这个简洁是指物理表达形式的简洁而知识内涵的丰富，是简洁和丰富，形式和内涵的对立统一。如一切物质都由最简单的粒子构成。它主要表现在物理学的理论和方法两个方面。

从物理理论的整体来看，各种物理现象和过程千差万别，但在本质上却可归结为若干基本概念和原理。例如，牛顿定律将宏观低速条件下各种机械运动的规律组成了一个秩序井然的集体。这体现了物理学理论整体的简洁美。

物理学理论的简洁美，还表现在组成物理理论的物理概念和物理规律的表达方面。作为反映事物本质属性和共同特征的物理概念，是抽象和概括的结果，它的表述力求简洁、精炼。如力是“物体对物体作用”。物理规律反映了事物发生、发展、变化的规律，它是观察、实验和物理思维相组合的产物，其表述也是在科学、准确的基础上力求简洁，如E=mc2、F=ma等等。

物理学中的理想化方法是从多维的具体形象中，抓住最具本质特征的主要形象，舍弃一些次要形象，建立起一个轮廓清晰、主题突出的新形象，从而简化物理问题。例如单摆、质点、理想实验、理想气体等。显然，具有简洁美。

三、和谐美

协调、匀称称之为和谐，和谐是指由于相互之间恰好在整体上显示出的协调，它给人以统一、自恰、对应的美感。物理学的和谐美主要是指形式和内容分别具有和谐性，它主要表现在自恰、对应和互补三个方面。

自恰，其基本含义是一致，即自身内无不可统一的矛盾。物理学中的自恰和谐美，主要体现在物理学各分支理论内部以及各分支理论之间的现象、概念、规律等都是互不矛盾的。例如，牛顿三大定律与动量定理、动量守恒定律是互不矛盾，相辅相成的。

对应和谐美是指由物理学不同理论间的对应关系而展现的物理学和谐美。“对应”是物理学和谐美的另一表现形式。如电子、质子、中子与正电子、反质子、反中子体现了物质构成的对应;而质能方程E=mc2则体现了质量与能量的对应。对应是高级理论对低级理论的包容，或者说是低级理论与高级理论中某一特定条件下的结论相一致。如当vc时，相对论力学的运动描述就还原为牛顿力学的描述。

互补和谐美是由物理学各部分之间的互补关系而展现出的物理学和谐美。所谓互补，就是指彼此间互相弥补、相辅相成。物理学中的互补主要表现在不同的、甚至是相互排斥的物理理论，从不同的侧面描述物理学的研究对象。如光的波动性与粒子性，从不同侧面反映了光的本质。在这里，波动性与粒子性既互斥、又互补。

四、多样统一美

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，这样就形成了即千变万化又统一的结构美，这也就是科学美中的多样性统一美。复杂的物理学世界只有统一起来才有美感。物理事物是千姿百态、千变万化的，反应物理事物的特性及规律的物理知识也是丰富多彩的，因此，由它们构成的物理世界，必然呈现出万紫千红的景象。但是，自然界又是统一的，客观物理事物之间存在内在的联系，通过这种联系使得我们能将各种各样的物理知识统一起来，进而形成既千变万化又和谐统一的美好画卷。例如，牛顿力学把运动统一起来，麦克斯韦把电磁现象统一起来，光电效应把波、粒二象性统一起来，质能方程把质量和能量统一起来，这就是统一美。

物理学具有对称、和谐、简洁、多样统一等美的表现形式。在解决问题时，用美的思想去寻找求解思路，利用物理事物的对称性、统一性，促使求解过程简洁，追求解题结果的和谐性。

【例1】由十二只电阻搭成一个立方体框架（如图a），设每只电阻阻值均为R，求两对顶点A、B间的等效电阻。

ab

分析：根据电路的对称性可知，C、D、E三点的电位都相等，F、G、H三点的电位也相等，等电位点可用导线直接相连而不改变原电路的性能，于是，可将原电路改变成如图b所示的等效电路，由此可求得两对顶点A、B间的等效电阻，RAB=5R/6。

【例2】平面无穷方格电阻丝网格如右图所示，其中每一小段电阻丝的电阻均为r，试求相邻两个格点A、B间的等效电阻RAB。

分析：设电流I从A点流入，但不从B点流出，I便将从分流地流向无穷远处，根据对称性可知，其中有I/4流经AB段。再设电流I不是从A点流入，而是从无穷远处流向B点，再从B点流出，根据对称性可知，其中有I/4流经AB段。现在假设电流I从A点流入，经过足够长（实为无线长）的时间达稳定后，从B点流出的也为I，经AB段的电流便为两个I/4的叠加，即为I/2。于是

UAB=（I/2）r

A、B间的等效电阻便为RAB=UAB/I=r/2。

若求解本题时，不分析对称性，就很难求得结果。

其实物理学并不像部分学生想的那样乏味、枯燥、单调，而是蕴含着丰富的美的内容。教师在教学过程中要充分挖掘物理教材中的美好事物，做到以教学助美育，以美育促教学，激发学生的学习动机、兴趣、情感。

（责任编辑易志毅）