欣赏物理学之美

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欣赏物理学之美

宁波市鄞州中学 陈 前

一提到物理学我们就会想到爱因斯坦的那张照片：

满头白发

满脸皱纹（见图一）

好象做科学的人只知道研究

不懂得生活

其实这个认识是片面的

爱因斯坦不但在物理学上成就伟大

而且他的小提琴演奏水平很高

还能弹一手好钢琴

在美学上也有独到的认识

　　请看下面这幅照片（图二）

这幅照片的名称叫dance

这是哈勃望远镜铺获到的一场宇宙中的精彩"舞会"

左边的"舞者"是较大的星系（ngc2207）

"依偎"在旁的是较小的星系（ic2163）

ngc2207的"吸引力"（强大的万有引力作用）使得ic2163"翩翩起舞"

它"掷"出的气体、恒星形成约十万光年长的"彩带"

这场"舞会"将在数十亿年后结束

最后两个星系将成为"一体"

这是形式美

它的本质也是美的

因为它们的作用遵守万有引力定律

我们还可以预见它们的未来是怎样的

　　再举一个例子

英国的卢瑟福用实验证明了原子是由原子核与电子所构成

原子核居中

电子在外

但原子的结构究竟是怎样的呢？最初认为原子的结构和太阳系相仿

原子核就好比太阳

而电子就像行星那样在各自的轨道上绕原子核旋转

但与经典的电磁理论发生了矛盾：绕核运动的电子应该辐射出电磁波

因此它的能量要不断减少

电子绕核运动的轨道半径也会减小

于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核

这样看来

原子应当是不稳定的

而实际上原子是稳定的

幸而不久迎来了量子力学

对电子这样的微观粒子的行为作了完全不同的描述

原来电子根本没有一定的位置

也没有一定的运动轨道

原子中的电子就好像云雾般迷漫在原子核外的空间

形成所谓"电子云"

电子到底在哪儿？科学家们众说纷纭

还是诗人说得好："只在此山中

云深不知处

"你看

电子云的意境很朦胧飘逸的吧！

　　确实物理学是很美丽的

在物理学的发展过程中

物理学家在探索物理学规律的艰辛旅程中

总是伴随着对美的热烈追求

例如

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"和谐和简单的"；托勒密为了解释天文观察的结果

引入了许多"均轮"、"本轮"

使得天文学既复杂又失恰；因此

在极端困难的条件下

哥白尼苦心孤诣

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

毅然抛弃了从他的老师第谷那儿接受的地心说观点

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

"

关于物理学家对

美的感受

我们可以结合彩虹的例子来认识：物理学自①到②到③是

自表面向深层的发展

实验工作者利用三棱镜在实验室得到彩色光带

发现红光的偏折最小

紫光的偏折最大

而且各种单色光再通过一个三棱镜又能还原成白光

这项工作增加了实验工作者对自然现象的美的认识

这是第一步①

进一步的唯象理论研究②使物理学家了解到这是由于各种单色光的折射率的不同

此种了解显示出了深一层的美

再进一步的深入研究发现折射现象本身可从菲涅耳波动方程中推算出来

这就显示出了极深层的理论构架③的美

其实这是光的色散和还原现象

但是在文学家眼里

此种研究破坏了朦胧美

很煞风景；应该说这是理解的角度不同

在物理学家眼里

还世界以简单、真实、和谐

这是物理学对对美的追求

它是一种理性的美

爱因斯坦在总结自己的人生道路时也说

"照亮我的道路

并且不断地给我勇气去愉快地正视生活的理想

是善、美和真

"对于一位喜欢物理学的人来说

他之所以喜欢这门学问

是因为他看到、感受到这门学问的美

也就是对物理学的美的欣赏、享受与追求

我们现在的教学教给了学生定理、定律、公式

学生做了大量的习题

学生能进行严密的推理、精确的计算

也确实培养了学生的思维

但是我们也不能否认有不少学生对真实物理世界的客观性和美妙性是不够热情的、甚至是冷漠的

因此

研究、挖掘物理学中的科学美

在物理教学中重视审美教育

已成为当前物理教育的重要话题

在物理教学中进行美育的途径有很多

本文着重讨论以下三个方面：

　　一、审美再创造

感受物理美

　　物理教师在教学中再现由物理学家和教材编写者人化后的物理概念和规律时

还要进行自己的审美再创造

并在审美再创造过程中展开对学生的美育

这种再创造有如园林工人把别人创造的树、花、草、石、水再造为园林美一样

仍然大有余地

在物理教学中

我们要把物理学科学美展现给学生

那么物理学科学美到底有多少呢？

　　（1）来自于物理学研究对象的美感

例如

高中物理课本第一册的序言

就介绍了从空间尺度来看

"物理学的最小研究对象是数量级为10-15m的微观粒子

最大研究对象是数量级为1026~1027m的宇宙"；从时间尺度来看"物质世界的时间尺度从1018s到10-25s

共跨越了43 ~44个数量级"

形成了一个"首尾相接的蛇形圆图案"

其中展现的是一幅壮美的"人类探索和逐步认识物质世界的现象、特征、规律和本质的历程"的图景

再如

法拉第提出的"力线"

不论从形式上

还是内容上都放射着美的光辉；又如

月球绕着地球转

地球绕

着太阳转

而且运行的轨道都是椭圆的

宇宙中所有天体的运行配合得如此默契

这是多么美丽和谐的景象

　　（2）来自于物理学问题的美

例如

汤姆生发现电子后

在X射线使气体电离以及光电效应等现象中

都从物质中击出了电子

这就表明电子是原子的组成部分；电子是带负电的

而原子是中性的

可见原子里还有带正电的物质

这些带正电的物质和带负电的电子是怎样构成原子的

就成了当时物理学家最关心的问题之一

又如

狄拉克建立的统一相对论和量子力学的电子运动方程

具有非常优美和谐的形式

可是它多出来的解却与当时的"真"不符

狄拉克舍不得改动那优美的方程

但必须给失"真"的解作一个圆满的解释

于是他大胆引入了正电子

首次提出了反物质的概念

三年后正电子果然被安德森所发现

相信学习物理的人都能体会这里面所展现的美

（3）来自于物理学思想方法的美

这是由于思考问题的方向性、创新性、整体性

经过质疑、验证等过程

从而做出物理学上的重大发现而产生的美感

例如

假说是最重要的思想方法之一

贝克勒尔发现天然放射现象后

物理学家通过实验研究确定了α、β、γ射线的本质

而且都来自原子核

使人们认识到原子核仍然具有复杂的结构

并且是能够发生变化的

在这个思想指导下

科学家进行了长时间的探索并形成了关于原子核组成的几种假说

再如

光的干涉、衍射现象说明光的波动性

光电效应现象说明了光的粒子性

无法用其中的一种去说明光的一切行为

为了解决这两类事实之间的矛盾

物理学家提出了光的波粒二象性假说

　　（4）来自于物理学研究方法的美

物理学在发展过程中总结了大量的研究方法

这些研究方法在解决问题的过程中

同样能给人以美感

例如等效法

它从等同效果出发

将复杂的物理现象和过程等效为几种简单的物理现象和过程

然后加以处理

象简谐运动可以看成是匀速圆周运动的投影；再如把微弱或超强信号变为可测信号的放大法；还有如黑箱方法

它是通过研究输入和输出

经过分析确定几个可供选择的黑箱模型

然后对黑箱模型进行检验和选择

从而阐明黑箱的结构和运动规律并加以应用的过程

　　（5）来自于物理学实验的美

这是由于实验指导思想的创造性、实验装置设计的新颖性和实验技术的艺术性而产生的美感

例如

光速的测定就充分展现了这种美

早在17世纪上半叶

物理学中就提出了光速测定的问题

但是光的传播速度实在太大

给测定工作带来了困难；最初

伽利略在地面上用实验的方法来测定

但未能成功；后人雷默和布拉得雷利用天体的

运动

借助于天文学来测定光速

获得了初步成功；到了19世纪

斐索利用旋转齿轮的方法

首先在地面上测出了光速

以后又有许多科学家采用了更精确的方法测定光速

如傅科的旋转平面镜方法

迈克尔逊的旋转棱镜方法

现在利用激光测定光速

大大提高了测量的精确度

　　（6）来自于物理学思维的美

例如

研究物体间的作用建立力的概念

舍弃了物体的生活概念（如马、车等）以及化学的（如成分）、数学的（如体积）、美学的（如色彩）等因素

分析了运动、速度等非本质因素

突出相互作用、速度改变快慢、形变大小等本质及共同点；又如图三所示

芝诺提出的一个运动的悖论（阿喀琉斯永远追不上乌龟）：阿喀琉斯（古希腊传说中跑得最快的人）从A点出发去追赶他前面的A1点的乌龟

他想追上乌龟

必须首先到达乌龟开始跑的位置A1

当阿喀琉斯到达乌龟开始跑的位置A1时

乌龟已经跑到前面去了

比如A2点

阿喀琉斯要想追上乌龟

又面临着同样的问题

他必须跑到乌龟此时的位置A2才能追上乌龟

等他跑到了

完全同样的问题又摆在他的面前

......因此

阿喀琉斯虽然跑得很快

但他

只能一点点逼近乌龟

却永远追不上乌龟

芝诺提出了这样的一个运动悖论

让人们去

研究时间的性质

是非常令人深思的

　　（7）来自于物理学理论和物理学公式的美

例如

许多科学家认为牛顿的万有引力定律具有不可忽视的理论美的特征

从万有引力定律出发可得出大量的推论并为观察所证实；又如

法拉第一直致力于把自己获得的实验结果上升为法则和理论

他十分欣赏电磁力转换定律那"简单而又美丽"的公式

他在研究环绕磁极分布的电场线时

感到它如同环绕太阳运行的行星轨道一样

也表现出大自然和谐而又简单的设计

令人神往而迷茫；为此

法拉第一直期望能用这种观念把电磁理论建成一个和谐、统一的体系

尽管他最终没有成功；但当他读到麦克斯韦用一组简洁的数学方程表述了他期望看到的统一电磁理论的论文时

法拉第深深地为物理学的公式美所震撼

　　（8）来自于物理学的哲学美

例如

光的全反射蕴含了量变与质变的思想；再如

按照形式逻辑的排中律

光要么是波

要么是粒子

决不可能既是波又是粒子

然而

依靠辨证逻辑

量子力学却以独特的数学结构卓越而合理地解释了它；又如

爱因斯坦的广义相对论揭示了一个"隐含的真理"：两对一直被认为完全无关的概念

原来是相互联系的

它们是空间和时间的概念

物质和运动的概念

（9）来自于物理学技术应用的美

例如立体电影

它的原理即为以两台摄影机仿真人眼睛

的视角同时拍摄,在放映时亦以两台投影机同步放映至同一面银幕上,并以偏光镜片分离出左右眼不同的画面

再如

对撞机(又称为同步辐射装置)在凝聚态物理、材料科学、地球科学、化学化工、环境科学、生物医学、微电子技术、微机械技术和考古等应用研究领域取得了一大批骄人的成果

利用同步辐射光对高温超导材料进行的深入研究；对世界上最大尺寸的碳60晶体以及在0.1-0.3微米x射线光刻技术的研究均取得重要突破；在微机械技术方面

制成了直径仅4毫米超微电机

这种电机将能在医疗、生物和科研等方面有独特的用途

　　二、精心设计

展示美的教学

　　在物理教学过程中

物理教师要把物理学的科学美展示给学生

这就需要采取一定的措施

创设一定情景

以使学生产生需要感

并进而引发出一定的体验

下图是一种美育实施模型

　　良好的审美环境包括：学习物质环境、人间关系环境、心理环境等

学习物质环境指教具、学校设备等

人间关系环境指师生关系、校风、学风等；心理环境是三者中最重要的

如果学生的学习失去了"自由自在"的性质

而是把学习物理看成是为了考试

或看成是家长和学校硬性规定的不得已而为之的苦差事

那么在这种状态下无法进入审美状态

不可能激发审美情趣

　　过程A主要是学生主动探索、感受物理美的过程；过程B是物理教师审美再创造的过程；过程C是美的教学过程

当然

双箭头表示这三个过程是相互能动的

　　这个美育实施模型表现的涵义是：教师启发学生通过想象、联想

引导发掘物理美的丰富素材

并通过美的设计

在课堂教学中充分展示出物理学科学美的特征

创设美的意境

使学生明确地或潜移默化的受到美的感染和熏陶

最终培养学生的审美感受力

三、人文引导

追求真善美

　　前面论述了物理学是美的

那么在我们面前就摆着这样一个问题

怎样用物理学的美去唤醒人性中的善

让科学更好的为人类的发展、进步服务

这是值得我们思考的一个问题

同时也涉及到科学教育和人文教育的领域

特别地中学教育更加重要

因为中学是一个没有定型的时代

在没有定型的年代里

学生得到良好的教育是非常重要的

可以终身受益

　　其实美育的目标是要提高学生对各种美的发现能力、鉴赏能力和创造能力

丰富他们的生活情趣

使之变得高尚、积极

走向人格完美

在这方面

前人已经为我们作出了榜样

物理学家们在探索物理学规律的艰辛旅程中

一方面伴随着对美的热烈追求

另一方面又强烈地表现出他们精神上的种种美德

例如

法拉第花了整整

十年的时间研究电磁感应现象

这愿于他的一个美好愿望

因为在当时的年代

伏打电是贵族们的专利

如果利用磁能产生电

那么就可以源源不断的获得电能了；当法拉第成名之后

世界各国赠给他的各种学位头衔达几十个之多

但他把所有荣誉奖章都收藏起来

连最亲近的人都未见过

有人问他为什么时

他说："我从来没有为追求这些荣誉而工作"

朴实的语言表达出他不图虚荣的人格美

再如

面对罗马教廷的熊熊烈火

布鲁诺用响彻环宇的"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

完世留芳

富兰克林为证明雷电和普通静电的一致

冒着生命危险做了用风筝"引"下雷电的著名的费城实验；而利赫曼则因同一目的惨遭雷击而死

这些都是一种献身的美

又如

伟大的物理学巨匠牛顿

虽然构建了经典物理学的宏伟大厦

但他却是那样天真的向世人宣告"我有幸捡到美丽的贝壳

是因为我站在巨人们的肩膀上"

表达了他谦逊的美

还如

居里夫人不惜用两年的时间研究擂盐

并提炼出放射性元素

她为了纪念自己的祖国

把其中一种元素命名为钋

居里夫人在功成名就的情况下

依然保持着百折不挠的献身精神和爱国主义精神

表现出高尚的爱国情怀

中国现代物理学家王淦昌、钱三强、钱学森、邓稼先等为了祖国的科学事业

放弃国外优越的生活条件

毅然回国报效自己的祖国

表现出同样伟大的精神美德

　　关于科学和人文的问题

有学者评论：当前

新科技革命强劲的发展势头和人们对素质教育、人文教育的重视与复归

为21世纪的教育带来了极高的期望

科学教育和人文教育的整合

是知、情、意并重的教育

是使个体的精神道德和科学知识平衡发展的教育

是一个有机的整体

人文教育与科学教育的这种平衡

是多种矛盾运动的结果和历史发展的必然

尽管在实现整合的过程中

科学教育和人文教育的冲突不会停止

整合的真正实现还有待于我们作出艰苦的努力

但在经历了漫长的古老人文教育、独领风骚的现代科学教育之后

我们必将进入更加成熟的现代人文教育与科学教育并重的新时代

对于这个问题

笔者是这样的看法：科学好像远航的轮船

需要人文来导向

不然就要走弯路

甚至触礁

因此

我们要向学生揭示物理学的人性之美、至善之美

从而达到以美感人、以美育人的效果

使学生产生"需要"的感觉

并进而引发"体验"；我们也要引导学生自己去追求和创造物理美

并将美的认识转化为追求美的自觉行动

产生创造欲望

进而爆发创造力

　　最后

用下面的一句话来结束本文的话题：科学是美丽的；

但只有科学

也不能编织成美丽的蝴蝶结

参考文献

1、 乔际平等

物理教育学

南昌：江西教育出版社

2、 姜水根

关于物理文化的对话

宁波：宁波出版社

3、 高飞

物理教学中的美学教育

陕西师大：中学物理教学参考

2003年第11期