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浅谈物理学中科学与美的统一及其在教学中的实施

第一篇：浅谈物理学中科学与美的统一及其在教学中的实施

浅谈物理学中科学与美的统一及其在教学中的实施

[摘要]简要阐述了物理学中所体现的美学特征,分析了科学性与美

的辨证关系以及物理教学与审美教学的关系,从物理教学艺术诸方面来

强调美育在物理学中不可忽略的地位。并呼吁在物理教育过程中应创

设美的意境,使学生在物理学习过程中领略物理学的科学美。

[关键词]物理学;科学美;创设美的意境

物质世界的真与美从来都是统一的,物理学家往往借助美来认识真

理,整理事实,以从中得出普遍的规律或结论。美学因素不仅仅存在于物

理论创立的原动力之中,还渗透于其理论体系的构思与表达之中。下面,

简析物理学所体现的简单性、对称性、和谐性。

1.1简单性

物质世界的构成和运动,客观地展现出“简单”的风采:一切物质都

由最简单的粒子成;光沿着最简单的直线传播;行星沿着简单的几何曲线

———圆、椭圆、抛物线或双曲线运动;等等。

物理学家把研究对象一一分割,抽象出最简单的物理模型,诸如质点、

理想弹簧振子、理想单摆、理想气体、点电荷、电力线、理想变压器、

光线、薄透镜等等,以这些优美的理想模型概括出物质运动的基本规律,

变复杂为简单,既简洁又合理。至于采用数学工具,以极其简洁而严谨的

函数关系或明快而直观的数学图线来描绘错综复杂的物理现象,那在整

个物理学的研究中就比比皆是了。

1.2对称性

在美学中,“对称”是形式美的表现,指整个组成部分之间的相称或

对应,如空间上的和谐布局,时间上的节律协和。时空的形象对称性最形

象的要数镜像对称。诸如物体竖直上抛和斜他运动的上升过程与下降

过程的时空对称;在光学和固体物理中屡屡出现的空间对称;在交流电和

电磁振荡研究中出现的时间对称。

物理学公式、定律表达方式上和理论结构上所反映的对称性更是

不胜枚举。诸如电磁学中静电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。麦克斯韦根据电与磁的对

称性及磁力线图象的对称性,在没有任何实验支持的情况下,大胆地在安

培定律中平添了“位移电流”矢量项,使麦克斯韦得以建立起他的呈现

对称美的方程组,其中主要的四个方程彼此相容,成为自洽的关于电磁场

的完整理论体系,被誉为自然界最优美的诗。

除形象对称性外,物理学还体现了抽象对称性,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。较典型的例子是1905年爱因

斯坦创立狭义相对论时,把伽利略的力学相

1.3和谐性

“和谐”是美学的一个重要法则。物质世界自身及物理理论的

“统一”“对应”乃是宇宙和谐的反映。物理学庞大的知识体系,既遵

循各自内在的规律,又相互联系,构成一个统一体。这是理论体系的和谐。

“多样的统一”之美是人类追求的永恒主题。整个物理学史,在某种程

度上也可以说是物理学大师们为建立统一的物理理论的奋斗史。“对

应”是物理学和谐美的另一表现形式。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E=mc2的质能公式则体现

了质量与能量的对应。

除了这些类比性对应关系外,还存在理论继承性对应关系。热力学

理论初创时,物理学家们就坚信:表示物体温度、压强、热容量等宏观物

理量与表征分子和原子的大小、质量、速度、能量等微观物理量间存

在对应关系。以后,随着统计物理学的发展,物理学家果真能圆满地以分

子动理论和统计方法揭示出宏观热现象的微观本质,体现了新旧理论间

的继承性对应关系。

2科学性与美的辨证关系

科学与艺术,如同科学与宗教一样,有着共同的起源。真、善与美三

者从一开始就是自然而然结合在一起的。

2.1物理学中美与真的关系

物理知识的真是美的基础,没有真就没有美。凡是美的事物,总是符

合事物发展规律,代表事物发展的趋势。因此,美体现着真,包含着真。据

《艺术与物理学》作者施雷恩的研究,艺术家可以以自己的睿见打头阵,

先于物理学家发现理解、表述世界的新方式,艺术家常常有一种特殊的

先见之明,其预见性要超过物理学家的公式。“反过来,如果艺术家的图

象产生于物理学家发表成果之后,情况则是艺术家不知不觉地通过新的

表述途径,达到了与物理学家新思考方式的一致。因此,结论是显然的:科

学同艺术之间有着无保留的一致。”察看艺术史,风格的流变也与