讓學(xué)生感受物理的科學(xué)美

范永志

物理學(xué)本身是一個美的世界,蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)美,認(rèn)識與發(fā)掘物理中的美,從美的角度去認(rèn)識物理、研究物理,可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,加深對物理的理解,培養(yǎng)科學(xué)的審美觀念。

物理學(xué)的研究對象大到天體,小到共振粒子,從實體到另一形態(tài)的場、光等都是物質(zhì)的。物質(zhì)又是運(yùn)動的,如機(jī)械運(yùn)動、分子熱運(yùn)動、電磁運(yùn)動、光波傳播,實際上是不同形態(tài)物質(zhì)的不同運(yùn)動形式,它們的運(yùn)動是有規(guī)律的,自然界是合理的、簡單的、有序的。因此,科學(xué)家們在探索真理的過程中,往往以科學(xué)美作為追求的目標(biāo),通過他們的努力而形成物理理論,在內(nèi)容上、形式上是那么自然、簡單、和諧,無不散發(fā)出美的光輝。教師平時教學(xué)中應(yīng)向?qū)W生展示物理知識的美的一面,激發(fā)學(xué)生愛美的天性。例如:物理內(nèi)容的簡單美,表現(xiàn)在物理概念、規(guī)律的表達(dá)上:科學(xué)、準(zhǔn)確、簡潔。熱現(xiàn)象是眾多物理學(xué)家爭論了一個多世紀(jì)的問題,卻以“大量分子的無規(guī)則運(yùn)動”十個字做了結(jié)論;物理學(xué)的對稱美,給人一種圓滿,勻稱的美感;運(yùn)動與靜止,勻速與變速,引力和斥力,反射和折射,運(yùn)動及其運(yùn)動規(guī)律的對稱性而產(chǎn)生的美感。物理學(xué)理論內(nèi)部相互自洽而展現(xiàn)和諧美,自由落體、豎直上拋、下拋以及各種直線的勻加速與勻減速運(yùn)動都可以統(tǒng)一于運(yùn)動學(xué)的速度和位移兩個公式中,牛頓力學(xué)公式,可以把地上的物體與天上的星體統(tǒng)一起來。由此可見,教學(xué)中只要我們善于發(fā)掘,物理學(xué)中的各種美學(xué)特征便會隨處可見。下面從更深層次角度來感受中學(xué)物理中的“美”。

一、物理知識的哲學(xué)美

在講電學(xué)伏安法測小燈泡的電阻時巧妙的滲透了“測不準(zhǔn)原理”的思想,當(dāng)電流表內(nèi)接時,測出的小燈泡的電流是準(zhǔn)確的,而測出的電壓偏大,因此計算出的小燈泡的電阻就比實際的電阻偏大,如果采用電壓表內(nèi)接的方法,測出電壓是準(zhǔn)確的,但測出的電流又將偏大,這樣計算出的小燈泡的電阻又將偏小,因此無論如何改進(jìn)實驗,都不能完全準(zhǔn)確的計算出被測小燈泡的電阻,測量在方法上本身就有欠缺,但我們又很難改變。進(jìn)而授課教師順?biāo)浦鄣年U述楊振寧和李政道的理論:原子物理學(xué)中的“空間和時間不能同時測準(zhǔn)”的著名測不準(zhǔn)原理,讓學(xué)生體會“魚和熊掌”不可兼得的哲理。

二、物理學(xué)中的統(tǒng)一美

物理所研究的是從不同事物運(yùn)動變化的多樣性中找出它們的內(nèi)在聯(lián)系和共性,通過這種聯(lián)系和共性構(gòu)成一個統(tǒng)一的理論體系,這就是科學(xué)美中的多樣性統(tǒng)一美。在物理中一些表面看來不相同的概念、定理、定律,在一定的條件下可以處于統(tǒng)一的系統(tǒng)中。中學(xué)物理中這種多樣性統(tǒng)一美的例子是很多的,如:描述宏觀物體機(jī)械運(yùn)動的概念、定理、定律是各種各樣的,表面并不相關(guān),牛頓力學(xué)卻能把所有物體的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律都統(tǒng)一起來;麥克斯韋的電磁理論, 又把表象完全不同的電、磁、光的運(yùn)動統(tǒng)一了起來,所以牛頓力學(xué)理論和麥克斯韋的電磁理論都具有統(tǒng)一美。

三、物理學(xué)中的模型美

物理源于客觀實體,但又高于客觀實體,物理是通過建立抽象的、理想的模型來作為構(gòu)造理論體系的基礎(chǔ),這些模型和理論都具有模型美。例如物理中的電場線和磁感線是一類抽象模型,它們都是為了形象描述客觀實體電場和磁場的性質(zhì)所畫出的具有一定規(guī)律并且頗具美感的線條,這些線條以美的形態(tài)把抽象的場變?yōu)槟軌驗橐曈X感受到的模型,模型在體現(xiàn)模型美的同時也體現(xiàn)了電場和磁場的抽象美。

四、物理學(xué)中的狀態(tài)美與過程美

物體的運(yùn)動變化往往是連續(xù)的,用牛頓運(yùn)動定律及運(yùn)動學(xué)規(guī)律可以求出某一瞬間的有關(guān)物理量,這些瞬間的量就構(gòu)成了問題過程的細(xì)節(jié),所構(gòu)造出的物理情景以其連續(xù)性呈現(xiàn)出過程美;狀態(tài)美則體現(xiàn)對定態(tài)量的定義和數(shù)量上的把握,動能、勢能、動量等都是定態(tài)量,無論動量守恒、還是機(jī)械能守恒都體現(xiàn)了狀態(tài)量對定態(tài)變化前后的一致性,使物理的狀態(tài)情景具有美感。學(xué)習(xí)物理既要善于從狀態(tài)、定態(tài)上去把握物體,又要善于從過程、動態(tài)上去掌握運(yùn)動變化的規(guī)律,從定態(tài)和動態(tài)中去理解、去體驗物理情景的狀態(tài)美與過程美,通過美化物理情景來達(dá)到活化物理情景,從而能使學(xué)生對物理的理解從科學(xué)美上得到形象化的拓寬和加深。

五、追求真理的精神美

在教學(xué)中把物理知識的發(fā)現(xiàn)史講給孩子們聽,通過科學(xué)家為捍衛(wèi)真理,追求真理的過程,讓學(xué)生體會物理學(xué)中的精神之美,如哥白尼——深信日心說的完美與和諧;布魯諾——用生命捍衛(wèi)真理的英名和美德;牛頓——我有幸撿到美麗的貝殼,是因為我站在巨人的肩上;居里夫人——用祖國的名字來命名新發(fā)現(xiàn)的元素;錢三強(qiáng)、錢學(xué)森——放棄國外優(yōu)越的生活條件回國報效祖國。

羅丹有一句名言:“生活中并不缺少美,而是缺少美的發(fā)現(xiàn)”。物理教學(xué)也同樣如此,因此物理作為自然科學(xué)的一門主科,在中學(xué)物理教學(xué)中,就應(yīng)更多地追求教學(xué)中的科學(xué)美,指導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)美的方面去認(rèn)識物理、學(xué)習(xí)物理,這樣一定可以使學(xué)生對物理的理解在科學(xué)審美中得到飛躍和升華。

作者單位:廣東省佛山市順德區(qū)龍江中學(xué)