談?wù)劯咧形锢韺W(xué)蘊(yùn)含的美

丁映春

[摘要]美是真與善相統(tǒng)一的形式。美的事物對人們來說是容易接受、向往的。物理美學(xué)是科學(xué)美學(xué)在物理學(xué)科上的具體表現(xiàn)，在高中物理教學(xué)中有意展示物理之美，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對物理知識的理解，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。學(xué)生領(lǐng)悟了物理知識內(nèi)的在美，就會在學(xué)習(xí)和運(yùn)用物理知識中，主動探索、研究，并在此過程中體會和享受物理之美。

[關(guān)鍵詞]高中教材物理教學(xué)物理之美

[中圖分類號]G633.7[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]16746058（2015）140000

美學(xué)是研究現(xiàn)實中美好事物的科學(xué)，是研究人對世界審美特點的。美學(xué)向自然學(xué)科領(lǐng)域的滲透，就產(chǎn)生了科學(xué)美。物理學(xué)中存在著各種成比例、有組織、有秩序、結(jié)構(gòu)對稱、和諧多樣的美學(xué)景象。這些景象表現(xiàn)在理論體系、科學(xué)概念、數(shù)學(xué)方程的結(jié)構(gòu)和體系中，也表現(xiàn)在邏輯結(jié)構(gòu)的合理勻稱和豐富多彩的相互聯(lián)系上，能夠激發(fā)人們的興趣、喜悅，激發(fā)起巨大的創(chuàng)造熱情。這些本質(zhì)規(guī)律，邏輯特點給人：在心靈上以圓滿、協(xié)調(diào)、自然的感受;在形式上以對稱、比例、和諧與多樣統(tǒng)一的感受，這就是物理學(xué)的美。如果物理學(xué)的理論不那么和諧，那一定是還有我們沒有認(rèn)識的東西，理論還需要進(jìn)一步完善。物理學(xué)的美歸納起來包括“對稱、簡潔、和諧、多樣統(tǒng)一”等。

一、對稱美

對稱美，就是物理學(xué)在揭示自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的過程中因?qū)ΨQ性，而產(chǎn)生的美感?！皩ΨQ美”在物理學(xué)中的表現(xiàn)有：時空對稱、數(shù)學(xué)對稱和抽象對稱。

時空對稱指的是物理現(xiàn)象（或系統(tǒng)）在時空變換下的不變性。物理學(xué)中的時空對稱有空間對稱、時間對稱、時間和空間同時對稱三種情形。如在光學(xué)和固體物理學(xué)中出現(xiàn)的空間對稱;在交變電流和電磁振蕩研究中出現(xiàn)的時間對稱;物體豎直上拋和斜向上拋運(yùn)動的上升過程與下降過程中的時空對稱。

數(shù)學(xué)對稱表示物理內(nèi)容在數(shù)學(xué)形式（圖與式）上的對稱性。如電磁學(xué)中庫侖力的平方反比定律的公式表達(dá)就是追求跟萬有引力平方反比定律的對稱而獲得的。

抽象對稱表示以抽象的方式所反映出的物理內(nèi)容的對稱。即從一個概念、一個命題或一個理論中所反映出來的對稱性。如在創(chuàng)立廣義相對論時，把電磁理論中的洛侖茲不變性作為對稱性假設(shè)。正是這些抽象的對稱性思考，有助于解開宇宙密碼，推動物理學(xué)發(fā)展。

二、簡潔美

物理學(xué)的美在于它的簡潔，它客觀地展現(xiàn)出“簡潔”的風(fēng)采。但這個簡潔是指物理表達(dá)形式的簡潔而知識內(nèi)涵的豐富，是簡潔和豐富，形式和內(nèi)涵的對立統(tǒng)一。如一切物質(zhì)都由最簡單的粒子構(gòu)成。它主要表現(xiàn)在物理學(xué)的理論和方法兩個方面。

從物理理論的整體來看，各種物理現(xiàn)象和過程千差萬別，但在本質(zhì)上卻可歸結(jié)為若干基本概念和原理。例如，牛頓定律將宏觀低速條件下各種機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律組成了一個秩序井然的集體。這體現(xiàn)了物理學(xué)理論整體的簡潔美。

物理學(xué)理論的簡潔美，還表現(xiàn)在組成物理理論的物理概念和物理規(guī)律的表達(dá)方面。作為反映事物本質(zhì)屬性和共同特征的物理概念，是抽象和概括的結(jié)果，它的表述力求簡潔、精煉。如力是“物體對物體作用”。物理規(guī)律反映了事物發(fā)生、發(fā)展、變化的規(guī)律，它是觀察、實驗和物理思維相組合的產(chǎn)物，其表述也是在科學(xué)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上力求簡潔，如E=mc2、F=ma等等。

物理學(xué)中的理想化方法是從多維的具體形象中，抓住最具本質(zhì)特征的主要形象，舍棄一些次要形象，建立起一個輪廓清晰、主題突出的新形象，從而簡化物理問題。例如單擺、質(zhì)點、理想實驗、理想氣體等。顯然，具有簡潔美。

三、和諧美

協(xié)調(diào)、勻稱稱之為和諧，和諧是指由于相互之間恰好在整體上顯示出的協(xié)調(diào)，它給人以統(tǒng)一、自恰、對應(yīng)的美感。物理學(xué)的和諧美主要是指形式和內(nèi)容分別具有和諧性，它主要表現(xiàn)在自恰、對應(yīng)和互補(bǔ)三個方面。

自恰，其基本含義是一致，即自身內(nèi)無不可統(tǒng)一的矛盾。物理學(xué)中的自恰和諧美，主要體現(xiàn)在物理學(xué)各分支理論內(nèi)部以及各分支理論之間的現(xiàn)象、概念、規(guī)律等都是互不矛盾的。例如，牛頓三大定律與動量定理、動量守恒定律是互不矛盾，相輔相成的。

對應(yīng)和諧美是指由物理學(xué)不同理論間的對應(yīng)關(guān)系而展現(xiàn)的物理學(xué)和諧美。“對應(yīng)”是物理學(xué)和諧美的另一表現(xiàn)形式。如電子、質(zhì)子、中子與正電子、反質(zhì)子、反中子體現(xiàn)了物質(zhì)構(gòu)成的對應(yīng);而質(zhì)能方程E=mc2則體現(xiàn)了質(zhì)量與能量的對應(yīng)。對應(yīng)是高級理論對低級理論的包容，或者說是低級理論與高級理論中某一特定條件下的結(jié)論相一致。如當(dāng)vc時，相對論力學(xué)的運(yùn)動描述就還原為牛頓力學(xué)的描述。

互補(bǔ)和諧美是由物理學(xué)各部分之間的互補(bǔ)關(guān)系而展現(xiàn)出的物理學(xué)和諧美。所謂互補(bǔ)，就是指彼此間互相彌補(bǔ)、相輔相成。物理學(xué)中的互補(bǔ)主要表現(xiàn)在不同的、甚至是相互排斥的物理理論，從不同的側(cè)面描述物理學(xué)的研究對象。如光的波動性與粒子性，從不同側(cè)面反映了光的本質(zhì)。在這里，波動性與粒子性既互斥、又互補(bǔ)。

四、多樣統(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，這樣就形成了即千變?nèi)f化又統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)美，這也就是科學(xué)美中的多樣性統(tǒng)一美。復(fù)雜的物理學(xué)世界只有統(tǒng)一起來才有美感。物理事物是千姿百態(tài)、千變?nèi)f化的，反應(yīng)物理事物的特性及規(guī)律的物理知識也是豐富多彩的，因此，由它們構(gòu)成的物理世界，必然呈現(xiàn)出萬紫千紅的景象。但是，自然界又是統(tǒng)一的，客觀物理事物之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，通過這種聯(lián)系使得我們能將各種各樣的物理知識統(tǒng)一起來，進(jìn)而形成既千變?nèi)f化又和諧統(tǒng)一的美好畫卷。例如，牛頓力學(xué)把運(yùn)動統(tǒng)一起來，麥克斯韋把電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，光電效應(yīng)把波、粒二象性統(tǒng)一起來，質(zhì)能方程把質(zhì)量和能量統(tǒng)一起來，這就是統(tǒng)一美。

物理學(xué)具有對稱、和諧、簡潔、多樣統(tǒng)一等美的表現(xiàn)形式。在解決問題時，用美的思想去尋找求解思路，利用物理事物的對稱性、統(tǒng)一性，促使求解過程簡潔，追求解題結(jié)果的和諧性。

【例1】由十二只電阻搭成一個立方體框架（如圖a），設(shè)每只電阻阻值均為R，求兩對頂點A、B間的等效電阻。

ab

分析：根據(jù)電路的對稱性可知，C、D、E三點的電位都相等，F(xiàn)、G、H三點的電位也相等，等電位點可用導(dǎo)線直接相連而不改變原電路的性能，于是，可將原電路改變成如圖b所示的等效電路，由此可求得兩對頂點A、B間的等效電阻，RAB=5R/6。

【例2】平面無窮方格電阻絲網(wǎng)格如右圖所示，其中每一小段電阻絲的電阻均為r，試求相鄰兩個格點A、B間的等效電阻RAB。

分析：設(shè)電流I從A點流入，但不從B點流出，I便將從分流地流向無窮遠(yuǎn)處，根據(jù)對稱性可知，其中有I/4流經(jīng)AB段。再設(shè)電流I不是從A點流入，而是從無窮遠(yuǎn)處流向B點，再從B點流出，根據(jù)對稱性可知，其中有I/4流經(jīng)AB段。現(xiàn)在假設(shè)電流I從A點流入，經(jīng)過足夠長（實為無線長）的時間達(dá)穩(wěn)定后，從B點流出的也為I，經(jīng)AB段的電流便為兩個I/4的疊加，即為I/2。于是

UAB=（I/2）r

A、B間的等效電阻便為RAB=UAB/I=r/2。

若求解本題時，不分析對稱性，就很難求得結(jié)果。

其實物理學(xué)并不像部分學(xué)生想的那樣乏味、枯燥、單調(diào)，而是蘊(yùn)含著豐富的美的內(nèi)容。教師在教學(xué)過程中要充分挖掘物理教材中的美好事物，做到以教學(xué)助美育，以美育促教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)、興趣、情感。

（責(zé)任編輯易志毅）