物理学科之美2016级物理备课组(修改稿)

1、四川省屏山县中学校校本教材系列-物理学科之美 高一物理备课组编制 目录前言 物理学科之美概述 1第一章 物理现象的自然美1 第二章 物理理论的科学美3 第三章 物理学家的精神美7 第四章 物理学科的实验美9第五章 物理学的发展美10物理学科之美概述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。自然界的美使人赏心悦目、叹为观止,而这些美的本身就蕴涵着科学的美。科学美是来源于天地的自然美,但它不是指大自然美的景色,而是指潜藏在感性美之后的理性美,物理学科的美是科学美学在物理学科上的具体表现，作为哲学体系中最重要的美学和作为自然科学基础

2、的物理学相联系的物理学本身就是一个博大精深的学科第一章 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

3、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。 生活中有趣的物理现象1、挂在壁墙上的石英钟，当电池的电能耗尽而停止走动时，其秒针往往停在刻度盘上“ 9 ”的位置。这是由于秒针在“ 9 ”位置处受到重力矩的阻碍作用最大。2.有时自来水管在邻近的水龙头放水时，偶尔发生阵阵的响声。这是由于水从水龙头冲出时引起水管共振的缘故。3、对着电视画面拍照，应关闭照相机闪光灯和室内照明灯，这样照出的照片画面更清晰。因为闪光灯和照明灯在电视屏上的反射光会干扰电视画面的透射光。4.走样的镜子，人距镜越远越走样。因为镜里的像是由镜后镀银面的反射形成的，镀银面不平或玻璃厚薄不均匀都会

4、产生走样。走样的镜子，人距镜越远，由光放大原理，镀银面的反射光到达的位置偏离正常位置就越大，镜子就越走样。5.天然气炉的喷气嘴侧面有几个与外界相通的小孔，但天然气不会从侧面小孔喷出， 只从喷口喷出 . 这是由于喷嘴处天然气的气流速度大，根据流体力学原理，流速大，压强小，气流表面压强小于侧面孔外的大气压强，所以天然气不会以喷管侧面小孔喷出。6、从高处落下的薄纸片，即使无风，纸片下落的路线也曲折多变。这是由于纸片各部分凸凹不同，形状备异，因而在下落过程中，其表面各处的气流速度不同，根据流体力学原理，流速大，压强小，致使纸片上各处受空气作用力不均匀，且随纸片运动情况的变化而变化，所以纸片不断翻滚，曲

5、折下落。7、吊扇在正常转动时悬挂点受的拉力比未转动时要小，转速越大，拉力减小越多。这是因为吊扇转动时空气对吊扇叶片有向上的反作用力。转速越大，此反作用力越大。8、将气球吹大后，用手捏住吹口，然后突然放手，气球内气流喷出，气球因反冲而运动。可以看见气球运动的路线曲折多变。这有两个原因：一是吹大的气球各处厚薄不均匀，张力不均匀，使气球放气时各处收缩不均匀而摆动，从而运动方向不断变化；二是气球在收缩过程中形状不断变化，因而在运动过程中气球表面处的气流速度也在不断变化，根据流体力学原理，流速大，压强小，所以气球表面处受空气的压力也在不断变化，气球因此而摆动，从而运动方向就不断变化。9、摩托车做飞跃障碍

6、物的表演时为了减少向前翻车的危险，应该后轮先着地: 10、会打秋千的人，不用别人帮助推，就能越摆越高，而不会打秋千的人则始终也摆不起来，正确的打秋千动作：人从高处摆下来的时候身子是从直立到蹲下，而从最低点向上摆时，身子又从蹲下到直立起来。由于他从蹲下到站直时，重心升高，无形中就对自己做了功，增大了重心势能。因而，每摆一次秋千，都使打秋千的人自身能量增加一些。如此循环往复，总能量越积越多，秋千就摆地越来越高了。11、一个重球的上下两端系同样的两根线，今用其中一根线将球吊起，而用手向下拉另一根线，如果向下猛一拽，则下面的线断而球不动。如果用力慢慢拉线，则上面的线断开，因为“猛拽”意味着力

7、大而作用时间短。当向下猛拽球下面的线时，由于这个力直接作用在下面的线上，该力超过线的承受力，从而使球下面的线断掉。又由于力的作用时间极短，且球的质量又很大，所以在极短的时间内重球向下的位移就很小。这样，上面线的张紧程度尚未来得及发生明显变化，即张力没有来得及明显变大，下面的线就已经断了。如果慢慢拉下面的线，力缓慢增大，可认为每瞬时力均达到平衡。下面的线中的张力就等于拉力，而球上面的线中的张力等于拉力加重球的重力。显然，在慢慢施加拉力的过程中，球上面的线中的张力首先超过其耐力，因而上面的线先断。12、汽车驾驶室外面的观后镜是一个凸镜而不是平面镜或凹镜，是利用凸镜对光线的发散作用和成正立、缩小、虚

8、像的特点，使看到的实物小，观察范围更大，而保证行车安全。13、洗衣机的甩干桶在正常高速旋转时，转动往往是很平稳的，但是当甩干桶转速逐渐减小，将要停下来的一段时间内，洗衣机往往会较为剧烈的晃动，最后才停下来，这是因为洗衣机甩干桶在旋转时就会给机体一个周期性的策动力，高速旋转时，这个策动力频率远高于洗衣机机体的固有频率，所以机体振动轻微；甩干桶转速逐渐减小时，对机体的策动力频率也逐渐减小，当接近停止时，策动力频率便接近和等于机体的固有频率，这时机体发生“共振”，所以晃动特别剧烈。)14、节日放焰火时，焰火弹在高空爆炸开来形成绚丽多彩的礼花，炸开后下落过程中礼花在空中是以爆炸点为中心半径不断增大的球

9、形。爆炸瞬间，爆炸力远大于重力，可以看为一个动量守恒过程，礼花的各个碎片都具有相等的速率，又由于每个碎片受到的重力加速度是一样的，所以碎片能保持爆炸时的球形不变。第二章 物理理论的科学美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”。历史上的科学家更是把自己所发现的科学规律描绘得美不胜收，哥白尼为他的日心说这样写道：“所有的这些轨道的中心便是太阳，难道说在如此富丽堂皇的宫殿里，还能找出比这更好的地方来安置这样一盏美妙的明灯使它能从这儿照亮一切吗?”波尔发现电子模型后，爱因斯坦赞叹道：“这是思想领域中最高的音乐神韵。”物理科学的美，是一种艺术的美，

10、但它又与艺术美有很大的不同，物理科学的美是完全建立在“真”的基础上的。物理科学的美是真和美的统一。由美可见真，由真可见美。但不一定真的就美，噪声是真的，但不美。美的也不一定是真的，早期的地方天圆说就很美但不是真的。1、简单美爱因斯坦认为评价一个理论美不美的标准是原理上的简单性。揭示自然规律，物理学具有高度概括性和简明美丽的特点。“宁可寻求简单”是科学家研究物质世界的逻辑和手段。在范畴广泛、现象规律复杂的物理领域中，物理学家把庞大的物理空间缩小为“场”，把纷繁各异的物质称为“粒子、质点”，借助文字和数学表述其内在规律，充分突出简单美的观点。物理中的简单美首先体现在文字简练，如力的定义为“物体间的

11、相互作用”，光的本性为“波粒二象性”，言简意骇。模型的观点和数学公式的应用使这种简单美几乎到了极限。如物理学家提出质点、单摆、理想气体和点电荷；匀速直线运动、自由落体运动、弹性碰撞等模型的观点，再用公式定义物理量和表达物理规律，大大简化了物理问题，简洁准确。如速度、密度、电流强度等物理量分别用v=s/t，=m/V ，=Q/t公式定义，其它物理量也都有相应的表达式；牛顿第二定律、爱因斯坦的质能关系、欧姆定律、动量守恒定律的表达式分别是：F=ma，E=mc2，I=E/(R+r),P=0，等等。这些定义、定律科学地反映了物理运动的客观规律，而其中的数学语言科学准确、十分简洁优美。2、和谐美和谐是指由

12、于相互之间恰到好处在整体上显示出的协调，它给人以统一、自洽、 对应的美感。科学理论、规律的简单形式要与其深广科学内涵和谐统一才美。物理中的和谐美主要体现在物理理论形式与内容的统一，各个研究领域理论的协调以及物理与其他学科理论和谐方面。牛顿力学被誉为科学美的典范，主要归功于牛顿定律形式简单，内涵丰富，和谐统一。例如有了“牛二定律”，小到雨滴、大到天体的万物运动规律都被统一于“F=ma”的简单原理中去，它的美学价值就在于把宏观运动统一了起来。爱因斯坦的质能关系“E=mc2”,形式也十分的简洁，却深刻地揭示了自然界微观和宏观无数质能变化的规律，集简单与和谐美于一体。和谐美还表现在各知识体系理论的协调

13、性。物理学知识体系庞大，它们遵循各自的内在规律又互相联系，构成统一体。历史上，人们对光的本性认识从牛顿的微粒说到惠更斯的机械波动，从麦克斯韦的电磁波动到爱因斯坦的光子说，表面上看似乎冲突，最终却被电动力学所统一，其对立的理论被有机地统一了起来，充分体现了物理世界的和谐美。无论是力学、光学、热学、电磁学还是原子物理学都提到能量的转化和利用问题。自然界的一切现象都因为能量而互相联系，各个领域的物理理论也因能量关系达到最终的统一，科学和世界构成了和谐体。物理现象不是孤立的，物理理论和其他学科理论密切联系，通过质量守恒和能量守恒统一起来，成为人类认识和改造世界的武器。3、对称美对称性给人的美感是“圆满

14、、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。“对称美”在物理中显而易见。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

15、作为一种有效的研究手法，并取得了成功。例如牛顿发现万有引力（F=Gm1m2/r2）和库仑的静电力（F=Kq1q2/r2）非常对称；法拉弟受奥斯特“电生磁”现象的启发之后发现了“磁生电”的现象，进一步揭示了电磁联系；后人还发现电场和磁场在规律上有许多惊人的对称关系。4、新奇美“新奇”也是物理美的特点。物理学发展到今天，无论是理论方面还是实践方面都是硕果累累，新颖的发明创造和新奇的理论成果层出不穷。象脉冲星、重轻子的发现；蒸汽机、激光器、电子对撞机的发明；牛顿力学理论、麦克斯韦电磁学理论、爱因斯坦相对论的创立等等都是体现新奇美的物理成就。尤其是物理理论提出的是关于自然界的新知识，具有独创和新颖的特

16、点，这正是其审美价值的所在。“新奇之所以被看作是科学美的重要特征，因为它体现了科学理论发现中的艺术因素。”浏览牛顿著作，我们可以体会到他的力学体系理论所包含的新奇和独创魅力。牛顿致力于探索宇宙系统的结构、万物运动的规律。他以惊人的开拓精神和独特的思维方式建立了运动三大定律和万有引力定律，为人类今天对宇宙的认识开辟了道路。伟大的爱因斯坦一生中创立了很多新奇的物理理论，其中“相对论”是新奇美的典范，它富有独创性，开创了物理学的新纪元，成为未来科学发展的理论基础。第三章 物理学家的精神美物理理论的科学美具有很高的审美价值，而物理学家的精神美堪称无价之宝。中学生无论是从哥白尼的故事、爱迪生的发明，或者

17、法拉第的发电机、周光召的原子弹，还是牛顿定律、麦克斯韦方程与爱因斯坦理论都能领略到伟人美的风范。回顾物理学的发展史，可知这座辉煌的殿堂，凝聚了多少人的智慧和心血。其中牛顿和爱因斯坦这两位科学巨人，永远是“德育”和“美育”的典范。牛顿（16421727）：英国物理学家和数学家，是17世纪科学革命的顶峰人物，因发现力学三大定律和万有引力被誉为“科学之父”。爱因斯坦（18791955）：德国物理学家，被公认为人类历史上最具创造才智的人物之一，他独创的“相对论”家喻户晓，他的一生对人类认识宇宙的贡献是巨大的。物理学家被自然中的新奇吸引，激发奇妙的设想，在壮美奇观中进行智力探险，经历曲折艰辛和生死攸关，

18、通过优美的实验以及科学的推理验证假设，从而得出完美的理论。他们这种艰苦卓越的探索过程所包含的艺术创造与献身科学的精神美是无与伦比的。所有的科学家，都具有伟大的思想和天才的智慧，不馁的精神和高尚的品格。他们给人类留下了丰富的物质和精神财富。科学是美的，创造科学的人更美。哥白尼与托勒密的地心说决裂，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，而托勒密为了解释天文观测的结果，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，开普勒深切地感受到日心说的美，毅然地抛弃了从他的老师第

19、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，我以难以想像的心情去欣赏它的美。”电磁学的发展在很大程度上得益于对称美的启示。法拉第深信电与磁是对称的，他认定既然电能生磁，那么磁也能生电。他坚持奋斗十年，发现了电磁感应现象。同样，麦克斯韦的位移电流假设，除了逻辑思维上的原因外，确信物理规律具有对称、和谐统一的美的形式，也是一个不可忽视的重要原因。爱因斯坦所建立的广义相对论，被朗道和玻恩称赞为可能是一切物理理论中最美的一个，“是一种伟大的艺术作品”。爱因斯坦本人也把科学研究中的审美感受称之为“思想领域最高的音乐神韵”、“一种壮丽的感觉”。美国著名物理学家韦尔在谈到自己时说：“我的

20、工作总是力图把真和美统一起来。但当我必须从两者中挑选一个时，我总是选择美。”物理学家们在探求物理发展过程中表现出的人生美德更是感人至深。面对罗马教廷的熊熊烈火，布鲁诺用响彻环字的“火并不能把我征服”的宣言，宣告了神学的毁灭，真理的永存，捍卫真理的英名和美德，万世留芳。伽利略被终身监禁而矢志不移。富兰克林为了证明雷电与普通静电的一致，冒着生命危险做了用风筝引下雷电的著名的“费城实验”。而利赫曼则为同一目的惨遭雷击而死。这些都是一种献身的美；追随着马车演算的安培，望着远去的马车，注目着车厢上的缜密运算，发出的“太快了，太快了”的惋叹，表现了一种痴情的美；海滨玩耍的牛顿，构建了经典物理的宏伟大厦，向

21、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”，表现了他谦逊的美；居里夫人不惜用二年多的时间研究铀盐，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。她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，表现出她高尚的爱心美；中国现代物理学家王淦昌、钱三强、钱学森、邓稼先为了祖国的科学事业，而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；法拉弟是最伟大的科学家之一，成名之后世界各国赠给他的各种学位头衔达几十个之多，但他却把所有荣誉奖章都收藏起来，连最亲近的朋友都未见过，当有人问他喜不喜欢这些荣誉时，他说“我从来没有为追求

22、这些荣誉而工作”，朴实的话语表达出他不图虚荣的人格 美；布拉凯特为了证实卢瑟福人工核转变实验中发现的质子，从拍摄的二万多张照片的四十多万条径迹中找到了八条分叉。这种不畏艰难、治学严谨的精神，使学生在知、情、意、行上得到美的升华，使学生学到物理知识的同时，得到情操上的熏陶、思想上的教育、心灵上的启迪。第四章 物理学科的实验美实验不仅仅是一种学习手段，实际上蕴含着很多美的因素。直观明了的实验，化抽象为形象，会带来视觉上美的享受，激发起对未知世界的探求欲望。如果你主动探索、思考，就会在这种无穷的乐趣中触摸到物理世界，感受物理世界的美。如在进行声与波学习时，通过示波器看到乐音是由规律的简谐波组成，从美

23、好的视觉以及悦耳的听觉感受中体会到美的存在，反之噪音在示波器上出现的是不规律的波形，这种无序杂乱的振动给人不舒服的感受。实验在理论的指导下设计、进行，得出结论(理论) 后，又回到实践中去，不断地循环往复，这是理论和实验的和谐美两厢相依，谁也离不开谁;实验所依据的理论以及实验所得到的结论，不管是语言表述、还是数学公式、图像表示，都有严密、简洁之美;实验结论蕴含在丰富多彩的自然现象、实验现象中，而运用实验结论又能解决情形各异的问题，这是结论和现象的多样统一美，等等。教师在教学时不能只追求实验现象本身信息的准确，忽视了美的价值，而应引导学生在学习中去理解这种美，这样不仅能激发学生的学习兴趣，而且能丰

24、富学习实践的精神生活。用物理学方法达到思维美感物理学方法也具有美的价值，教师应不失时机地向学生展示。例如，物理模型方法从复杂的物理现象或过程中，抓住最本质的特征，舍弃无关因素，暂时撇开次要因素，抽象出简洁明了、主题突出的理想化模型，如质点、理想气体、点电荷、电力线、薄透镜等等，这好像一个训练有素的画家的速写，用极简洁的几笔把一个人的面部特征和个性特点勾划得淋漓尽致，给人以一种简洁美的享受。再如力的合成将几个力等效合成一个力，而力的分解则把一个力等效分解为几个力;复杂的实际电路等效简化为标准的简单电路;复杂的物理现象过程等效分析为几个简单的物理现象、过程进行分别处理，然后再进行综合，这都无不闪烁

25、着多样统一美、对应和谐美。运用类比、联想、置换的手段，将难以理解的、抽象的内容转化为学生丰富优美的联想，将知识置于学生常见的美的想像中，让学生始终在美的氛围中获取知识。如将电流类比水流，电压类比水压;还可将电流与电阻的关系类比为街道上人流与路况的关系，抽象和直观和谐统一，物理和生活融为一体，可激发学生欲透过物理世界去发现美、追求美的激情。光学研究中光路的空间对称，物体做斜抛运动时所呈现轨迹的时空对称;静电力的平方反比定律公式与万有引力定律公式之间、动量定理与动能定理之间的形式对称;简谐振动、交流电的周期、正电与负电、电生磁与磁生电、作用与反作用、吸引与排斥、粒子与反粒子等对称，给人美的体验;以

26、四大定律的简洁形式所表示的牛顾力学，把天上的星球与地上物体统一起来;物质、能量、动量三大守恒律更是物质世界和谐美的完善体现。第五张 物理学科的发展美一部人类发展的历史就一是部改造自然的历史，每一次大的技术变革乃至社会变革都有其物理方面的成因，物理在其中扮演着举足轻重的角色。    人类与其他动物很大的一个区别就是能够制造工具并利用所制作的工具进行有计划的生产劳动，是工具在人类和其他动物之间划出了一条界线，而制造工具，就必须要懂得一定的物理知识，尽管我们的祖先在那个时候还没有意识到什么叫做“知识”但是他们俨然已经在利用物理知识了。在人类文明的发展中，物理知识得到了进一步的认识

27、，并且在人类的各个方面发挥了举足轻重的作用。可以说，物理伴随着人类的诞生、发展的整个过程。 且说物理之于生产力：在人类历史上发生的最为影响重大且意义深远的两次工业革命，都是建立在相应的技术成熟的基础上的，这当然离不开物理学的贡献，现在正在进行的信息变革，也是建立在以硅技术为载体的。物理学的技术成果，不断的转化为生产力，已经创造出了越来越多的物质财富。它带领人类进入一个又一个全新的时代，可以这么说，物理学对于生产力的功效基本可以用两个字来概括，那就是解放。    再说物理之于军事：统观从古至今，从亚历山大远征到蒙古骑兵横扫欧亚大陆，获胜的一方莫不是在技术上有高度优势的一方，二

28、战时期德军攻占波兰时，德军用的是当时最先进的坦克，而波兰则连TANK是什么都没有听说过，派出的只是传统的作战单位骑兵，这场战役从一开始就注定是一边倒的，德军需要做的只是屠杀。希特勒倒台后，俄罗斯运走大量物资，而美国用雄厚的经济待遇挖走大量科学家，其中很大一部分是物理学家，这对美国日后的经济发展起到了很大的作用。 最后说物理之于文化，物理对于一个民族乃至国家的文化会产生巨大影响，在中世纪的西方，教会的权利是非常之大，他们自有一套论断，认为世间万物都是由上帝一手主宰的，其中很有名的一个故事就是创世纪说上帝在7天内创造了整个世界，而这个很荒谬的谎言在16世纪末的时候受到了置疑，直接的原因就是哥白尼的

29、日心说，它挑战了桎梏人民思想的重大枷锁。这粉碎了教会的谎言，从根本上解放了人们的思想，对于自由、平等、给予全新的诠释。     物理学作为一门最基本的自然哲学，是一个充满活力的带头学科，早在封建时代在西方和我国就都有专门的机构和学术中心进行研究。早期的希腊把数学，几何，物理几门自然学科放在一起研究。在亚里士多德及其门徒的影响下，当时的物理可谓盛极一时。而在我国，政府也设“工部”来掌管兴修水利，并在国力学堂内开设“格致”课程。这就是早期的物理学了。 物理学从无到有，从最初浅显常识到今天系统的科学，这是一个漫长的历史年代。 出土的早期人类文物显示：在山顶洞时期我们的祖先就学会了利用摩擦生