探尋物理學中的美

謝鵬偉

摘要物理學是研究物質世界的結構、運動及其變化規(guī)律的科學,在全面實施素質教育的今天,美學教育是其重要的一部分。本文以物理學中所蘊涵的美為主題,挖掘物理教學中的美育功能,旨在幫助學生在表面枯燥的學習中發(fā)現(xiàn)美、欣賞美、追求美,領悟到自然科學美的本質,成為素質全面的有用人才。

關鍵詞物理美自然科學素質

中圖分類號:G633.7文獻標識碼:A

物理學作為一門嚴謹?shù)淖匀豢茖W,它集理論與實踐為一體,其所描述的對象包羅萬象。在所有的自然科學中,物理學具有一種非凡的魅力,與美有最和諧的結合。物理學在提高人類的文明,推進社會的進步同時,也給我們帶來各種感官的美的享受,給美學帶來新的視角和元素。

1 物理學的簡約之美

物理中現(xiàn)象往往是錯綜復雜的,然而背后隱藏的規(guī)律卻是簡單的,物理學就高度概括地揭示了自然規(guī)律的簡單性。經(jīng)典力學建立在牛頓三定律之上,即將地球上物體的運動、天體的運轉綜合到同一理論中;電動力學建立在法拉第的“場”和麥克斯韋方程組之上;而廣義相對論看似簡單的道理更深一層地揭示了時空、物質、運動和萬有引力之間的統(tǒng)一性;這些簡單的假定是從大量的自然現(xiàn)象和物理實驗中抽取并提升出來的,然而,建之于上的物理理論反過來卻能解釋幾乎所有的自然現(xiàn)象。驚人的簡單體現(xiàn)了物理學的簡潔之美、質樸之美,亦體現(xiàn)了科學的理性美。

2 物理學的對稱之美

在生活和自然中,有許多事物具有對稱性,給人以勻稱和均衡的感覺。自然界的對稱有多種類型,例如旋轉對稱、左右對稱和平移對稱等。對稱性的感受逐漸成為一項美學準則。物理學中的對稱主要指的是時空對稱、數(shù)學對稱、抽象對稱。杠桿的平衡、平面鏡成像體現(xiàn)的是空間的對稱,交流電研究中正余旋變化為時間的對稱,簡諧波的波形圖為典型的數(shù)學對稱。抽象對稱性在科學研究中更為普遍和重要,由于在無窮大與無窮小的條件下研究問題,不具有直觀性,所以許多對稱體現(xiàn)出了抽象性。磁場的正負極、電荷的正負是最典型的性質的對稱。另外以科學中的藝術珍品廣義相對論為例,在廣義相對論中,狹義相對性原理被廣義相對性原理代替;慣性系被非慣性系取代;洛侖茲變換群被連續(xù)的坐標變換群替代;線性方程被非線性方程代替等等。狹義相對論被包含在廣義相對論之中,在一定條件下,后者都還原為前者,二者是統(tǒng)一的。半個多世紀來,許多物理學家都沉醉在它絢麗多姿的美之中。

對稱性在物理學中起著重要的作用,系統(tǒng)對稱性的分析對系統(tǒng)的物理狀態(tài)和性質十分重要,對稱性思想已成為反映今天“自然科學時代的精神”之理論精華,而對稱性方法也已成為當代最普遍的精密自然科學方法之一。從對稱性看世界,看到的可能性實在太多,以此對比它的復雜性和輝煌的物理成果,我們就不能不深深感到對對稱定律的力量的欽佩,這也當之無愧可稱為神秘的對稱美。

3 物理學的和諧之美

物理事物是千姿百態(tài)的,所呈現(xiàn)的事物與規(guī)律也是豐富多彩的,但各種事物之間都有著其內(nèi)在的聯(lián)系。

牛頓定律能綜合地把地上的物體與天上的星球統(tǒng)一起來;愛因斯坦廣義相對論把引力、時間、空間、物質統(tǒng)一起來;天體運動理論、熱力學定律、分子擴散理論、光的波粒二象性描繪了物質運動的有序性;質量、能量、電量守恒體描繪了協(xié)調統(tǒng)一性;三大守恒定律(物質、能量、動量)更是物質世界和諧性最完美的體現(xiàn)。而物理學中由物理概念、規(guī)律、公式這些抽象的方法去描述一個完整的、有序的、有規(guī)律的物理世界的完美和諧的圖景如振動圖像、波動圖像、氣體性質圖像、導體的伏安特性曲線、交流電的圖像等,更是數(shù)不勝數(shù)、比比皆是。

自然界物質作用看似復雜,但都遵循各自的運動規(guī)律,形成了有序、協(xié)調、對稱、統(tǒng)一的整體。物理學眾多的理論、規(guī)律亦是互相依存、和諧共生,有機地組成了現(xiàn)代物理學大廈。對物理學美妙的和諧美的追求已成為當代物理探索的驅動力。

4 物理現(xiàn)象的自然之美

在這個美妙的宇宙中時時處處具有令我們陶醉的自然美景,晝夜交替、四季輪回是地球自轉和公轉的結果,也才有了日出日落的壯美景象。黃道交角造就了春風秋月、夏雨冬雪的良景美辰,也才有春華秋實,有了萬物生長,提供了人類得以生存的物質條件。我們旅行時,可曾想到高山大河的形成離不開地殼的運動,火山的噴發(fā),冰川的消融。當你在操場欣賞雨后七彩的彩虹,在海上領略神秘的海市蜃樓,背后都會通過光學分析探究到它的本質。

總之,物理學作為一門重要的自然科學,對人類認識世界、改造自然界和人類社會,具有極其重大的現(xiàn)實和理論意義。展示物理美的目的,不僅僅是為了讓學生想象和認識物理科學之美,更重要的是,要通過審美的教育,培養(yǎng)學生的審美能力和審美情趣,將對美的認識,轉化為追求美、發(fā)現(xiàn)美和欣賞美的自覺行動,讓學生理解科學的實質。在中學物理學教學中,教師應在課堂教學中滲透美學教育,啟發(fā)學生用心智領悟美,對激發(fā)學生的學習動力、提高學生的創(chuàng)新精神具有非同尋常的意義,使學生感受到自然科學的魅力所在。如果有了對物理學中真與美的欣賞,就會對生活、對自然界、對生命有更深刻的理解,更加愛護自然、愛護地球,對世界萬物有敬畏之情,對他們將來從事任何職業(yè)都會大有幫助。