物理中的美学

物理中的美学

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。

一．物理学的美表现在以下几个方面：

1.物理学发展过程中的精神美

在物理学发展的过程中，物理学家在探索物理学规律的艰辛旅程中，一方面总是伴随着对美的热烈追求，另一方面又强烈的表现出他们精神上的种种美德。哥白尼与托勒密地心说的决裂，就是有其执着追求美的因素，他深信完美的理论在数学上应该是“和谐与简单”的。托勒密为了解释天文观测的现象，引入了许多“均轮”、“本轮”，使得天文理论既复杂又失洽。因此，在极端困难的条件下，研究了三十多年，终于建立了不朽的日心说。后来，开普勒深切感受到日心说的美，毅然地抛弃了从他的老师第谷那接受的地心说观点。他说：“我从灵魂的最深处证明它是真实的，我以难以想象的心情去欣赏它的美。”布鲁诺面对罗马教廷的熊熊烈火，用响彻环宇的“火并不能把我征服”的宣言，宣告了神学的毁灭，真理的永存，其捍卫真理的英名和美德，万世流芳。还有牛顿、哈雷、伽利略、施士元、吴健雄、钱学森等等，每一位科学家名字的背后不知隐藏了多少可歌可泣、感人肺腑的故事。他们坚忍不拔的毅力、默默无私的奉献、废寝忘食的工作、不惜以生命为代价、这些高尚的人格与情操、为真理奋斗不息的精神之美，正是站在我们面前的榜样，也是在教学中培养学生高尚品质的典范，可以启迪学生的智慧，引发学习兴趣，激励成功的意志，养成献身科学的良好品质。

2、物理现象的自然美

中学物理涉及力、声、热、光、电、磁和原子物理等内容,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、日食和月食都有奇异的美。人类在研究和应用物理方面创造的辉煌成果,是美的精品。蒸汽机、发电机、激光器、电子对撞机的发明,步步促进人类生产、生活和高科技的发展;“阿波罗”登月成功,“嫦娥奔月”的传说变成了现实美谈,“神五神六”畅游太空再次实现人类超载地球之梦;众多的航天器和卫星正在全球通讯、气象观测、国防和科研等方面建功立业;电磁技术、激光技术、能源开发技术突飞猛进;核电站、太阳能电站的相继林立充分展示了物理前景无限美好。

3.物体的运动美

宇宙中的一切物体都在永不停息的运动。物理学中声、光、电的传播，电子的旋转，天体的运动等都体现出美的旋律。像直线运动表现的刚性美；曲线运动表现出柔性美；匀速运动呈现节奏美；变速运动呈现出变化美。

4.物理规律的简洁美

简洁美是以简单、洁净呈现其美感，简洁美是科学美的特征之一。自然界的现象是错综复杂的，然而自然界本身却是简单和谐的，因此研究的方法和规律的表述方式也是简单的，科学家们用最精炼的语言，最少的符号，最简单的形式来表达知识。正如著名的物理学家爱因斯坦所说：“真实的世界在逻辑上总是简单的。”所以，作为反映物体运动变化规律的物理来说，那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受，物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单，而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。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”却如此简明；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；麦克斯韦方程组把复杂的电磁规

律建成一个简单对称的理论体系，被誉为自然界最优美的诗。被物理学家们争执了一百多年的“热”，却仅以十个字做了结论：“大量分子的无规则运动。”仅仅十个字，真是简单科学!物理学中的理想模型更具有简单美的特征。就如质点、单摆、理想气体、电磁场等，这些犹如一幅幅生动形象的简笔画，把物体的特征和个性勾画得淋漓尽致，既简单又合理，既抽象又形象。只要我们在教学中有意识加以挖掘、点拨，就会使学生置于科学美的愉悦中。

5.物理规律的和谐美

自然界本身是一个和谐的整体，支持其运行的自然规律也应具有和谐性和统一性。而以其为研究对象的物理学必然会体现这一特性。爱因斯坦曾说过“如果不相信我们的理论结构能够领悟客观实在；如果不相信我们的世界的内在和谐性，那就不会有任何科学。”和谐给人以一种恰如其分、浑然一体、轻松自如的美感。物理的和谐美，是物理理论揭示自然界物质存在、运动及其转化等规律整体上的和谐性而产生的美感。在微观领域中，原子世界是一个和谐的世界，核外电子绕核运动，分子间存在相互作用力；在宏观领域，像晶体是一种典型的有序的和谐结构，这种由若干平面围成的多面体具有规则的外形，其各个几何平面之间的夹角固定不变；在宇宙领域，各种星系、各种天体尽管进行着复杂的运动，但在一般情况下各种星体的运行轨道又是有规则的，如月球一边自转，一边还绕地球公转，旋转的速度和轨道也几乎没有差错，宇宙太空各天体的运动配合得如此默契和谐，像是在合奏一首雄伟壮丽的交响曲。科学家们追求着这种统一与和谐。他们将最初零散的物理知识有机地结合起来，建立起物理学的基础后，再通过热力学与统计物理学的统一；电、磁规律的统一；时间与空间的统一；物质与能量的统一；实物粒子与场等几次大的综合与统一，建立起如今的统一的物理大厦。若教师能在教学中将物理学统一、和谐美寓于教学中，使学生对物理学有一种整体认识，学起来也会轻松一些，这既是一种受益，又是一种乐趣，也能在情感上产生美的共鸣。

6.对称美

对称美是指整体各部分之间的相称或对应，如空间上的和谐布局，时间上的节律协和。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。科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美，借助于建筑美学很容易理解对称美概念，一些建筑物外表的对称显示出一种空间方位上对称的美感，我国古建筑如天安门、天坛、故宫等就呈现出庄严稳重的对称美。人类传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称，而物理学中的对称美既有物理现象的对称美，比如引力与斥力，“电生磁”与“磁生电”，粒子与反粒子，物质与反物质等等；还有公式的对称如：

动量守恒定律表达式 '22'112211v m v m v m v m +=+

机械能守恒定律表达式 2222112121mv mgh mv mgh +=+

理想气体状态方程 22211

1T V p T V p = 等都具有平稳庄重的对称美。

对称性给人的美感是“圆满、均衡和协调”。人们这样描述对称性:若图形通过某种操作(如时空坐标系的改变,尺度的放大和缩小)又回到它本身,则这样的图形具有对称性。对称性的概念应用于物理,研究对象不仅是图形,还有物理量和物理规律。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。例如牛顿发现万有