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中学物理美学渗透

一、物理学本身渗透着美学

爱因斯坦曾经描述说，物理学是至善至美的科学，他还

特别把物理的美归纳为“简单、和谐、完善、统一”。

物理学发展史是一部美学发展史。在物理学发展的过程

中，物理学家们探索物理学规律，总是一方面体现出对美的

热烈追求，另一方面体现出他们精神上的种种美德。正是由

于他们在美学思想指导下，通过不懈的努力，才能取得一个

个重大成果得以推动了物理学的发展。哥白尼、开普勒是带

着强烈审美意识探索自然规律的先驱者。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，哥白尼研究了三十

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，不懈坚持几十年的观察，积累的大量的天文数

字，提出行星运动的三定律来论述天体的运动是如此的简单

与和谐。物理学家根据世界的对称性，通过预言、设想来推

测未来事物的存在。“电可以生磁、磁可以生电”，法拉第经

过十几年的不懈努力实现了由“磁生电”的梦想。牛顿追求规

律的统一，是他发现“万有引力定律”的关键，他把天上的力

学和地上的力学统一起来，实现了物理发展史上的第一次大

综合。每一位物理学家背后不知隐藏了多少可歌可泣、感人

肺腑的故事。他们对自然科学美的追求，他们为真理奋斗不

息的精神之美，都是我们的榜样，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

他们成功的意志。

物理学规律的美学特征：物理学“是一门研究自然规律与

秩序的学科，它探索物质和谐地存在与运动的根源”。杨振宁

在《美和理论物理》一文中提出物理理学具有“物理现象之

美”“理论描述之美”“理论结构之美”。也有不少物理学家认

为，物理学的美学特征主要表现为“多样统一美”“和谐奇异

美”“简洁明快美”等。对物理学的种种美学评估，只是摄入角

度或提法上的不同，本质上都是揭示科学真与科学美的辩证

关系。科学美是科学对象美与科学表现美的统一。下面，简

析物理学所体现的简单美、对称美、和谐美。1、简单美物

理学揭示自然界物质的存在、组成、运动及其转化等规律的

简单性而产生美感，称为物理学的简单美。物理学的简单美

主要体现在物理学的理论和方法上。物理学家巧妙地从复杂

的真实世界中，把研究对象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、光线、

薄透镜等等，以这些优美的理想模型概括出物质运动宇宙中

纷乱的各种物体通过牛顿引入的质点概为一体，牛顿只用几

条简单的定律就概括了物质世界纷繁的运动现象，麦克斯韦

只用四个方程组就概括了复杂的电磁运动，量子力学理论使

行踪飘忽不定的微观粒子眉目清晰等。这些都体现了物理学

理论整体的简洁美。物理理论的简单美还体现在组成物理理

论的物理概念和物理规律表达上，如“力是物体间的相互作

用”、F=ma概括了牛顿运动第二定律等。还有在物理方法上

如：理想化模型、理想化方法本身就是遵循简单性原则。2、

对称美对称现象是辩证法的生动体现，物理学揭示自然界物

质的存在、构成、运动及其转化等规律的对称性而产生的美

感，称为物理学的对称美。物理学的对称美主要表现为时空

对称、数学对称和抽象对称。如杠杆的平衡、平面镱成像、

磁体的磁感线分布、电荷的正负、等量同种、异种电荷的电

场线分布等表现了物质的直观形象在空间上的对称性；周期

和频率等体现出时间的对称性；简谐振动图线、波动图线的

对称性体现了数学图形的对称性。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，

把伽利略的力学相对性原理作为基本假设，而在1916年创

立广义相对论时，把电磁理论中的洛仑兹不变性作为对称性

假设。正是这些抽象的对称性思考，有助于解开宇宙密码，

推动物理学的进展。3、和谐美“和谐”是美学的一个重要法则。

古希腊毕达哥拉斯学派认为，宇宙与数之间之所以美，是因

为它们是和谐的。而物理学家认为，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。例如，以运动定律和万有引力定律的简洁形式所表示的

牛顿力学，把地上的力学与天上的力学统一了起来；优秀的

麦克斯韦方