物理之美与美的物理教学

1、2021/2/211 谈到美谈到美,联想到自然美和艺术美联想到自然美和艺术美,而对科学美而对科学美,大多数人则不易感受到大多数人则不易感受到,这是因为科学美与艺术美这是因为科学美与艺术美是两种不同形式的美是两种不同形式的美,从美学的角度来讲从美学的角度来讲,一种是事一种是事物外在形式所呈现的美物外在形式所呈现的美,如自然景色的美如自然景色的美,音乐的美音乐的美,雕塑的美雕塑的美,绘画的美绘画的美,建筑物的美等。另一种是事物建筑物的美等。另一种是事物内在结构的和谐、秩序而具有的美内在结构的和谐、秩序而具有的美,这种美比较抽这种美比较抽象象,是要经过大脑整理、加工形成美的意识或美的是要经过大脑整理

2、、加工形成美的意识或美的观点。这是一种较高层次上的审美。观点。这是一种较高层次上的审美。一、引言一、引言2021/2/212还有人把物理学之美说成它具有还有人把物理学之美说成它具有明快简洁美明快简洁美,均衡对称美均衡对称美,奇异相对美奇异相对美和和和谐统一美和谐统一美。也有人把物理学之美分为也有人把物理学之美分为:物理学物理学研究对象的之美研究对象的之美,物理学物理学理论的之美理论的之美,物理学物理学实验的之美实验的之美和物理学和物理学常数的之美常数的之美等。等。著名物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类著名物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类:即即现象现象之美之美,理论描述之美理论描述之美

3、,理论结构之美理论结构之美。物理学中的美物理学中的美,就是一种科学美。就是一种科学美。2021/2/2131、新奇美、新奇美; 2、简洁美、简洁美; 3、统一美、统一美; 4、和谐美、和谐美; 5、艺术美、艺术美; 6、适用美。、适用美。二、物理之美的几种形式二、物理之美的几种形式2021/2/214 科学把独创性定义为一种最高的价值科学把独创性定义为一种最高的价值,因为只有通过具有独创性的科学研究成果因为只有通过具有独创性的科学研究成果,科学才能进步。独创性的理论成果给人以科学才能进步。独创性的理论成果给人以新奇美。当我们初次接触到相对论（提出新奇美。当我们初次接触到相对论（提出了了“时间和

4、空间的相对性时间和空间的相对性”、“四维时空四维时空”、“弯曲空间弯曲空间”等全新的概念。）、量子力等全新的概念。）、量子力学（描述微观世界结构、运动与变化规律学（描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学）、宇宙大爆炸理论（宇宙起的物理科学）、宇宙大爆炸理论（宇宙起源及推测宇宙最终归宿）时源及推测宇宙最终归宿）时,就就会有这种美会有这种美感。感。1、新奇美、新奇美物理之美物理之美2021/2/215 以简单、洁净呈现其美感以简单、洁净呈现其美感,简洁美是科学美简洁美是科学美的特征之一。著名物理学家爱因斯坦曾指的特征之一。著名物理学家爱因斯坦曾指出出:“自然规律的简单性也是一种客观事实自然规律

5、的简单性也是一种客观事实,而而且正确的概念体系必须使这种简单性在主观方且正确的概念体系必须使这种简单性在主观方面和客观方面保持平衡。面和客观方面保持平衡。”物理美的简洁性并不物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。构和物理规律的数学表达形式简洁。2简洁美简洁美爱因斯坦的质能联系方程爱因斯坦的质能联系方程:E=mc2 物理之美物理之美反映质量与能量之间的联系反映质量与能量之间的联系,指导人们认识核反应的规指导人们认识核反应的规律律,并为获得巨大能量提供了理论基础。并为获得巨大能量提供了理论基础。2021/

6、2/216 物理所研究的是从不同事物运动变化的多样物理所研究的是从不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性性中找出它们的内在联系和共性,这样就形成了既这样就形成了既千变万化又统一的结构美千变万化又统一的结构美,这也就是科学美中的多这也就是科学美中的多样性统一美。样性统一美。例如例如,描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律是各种各样的是各种各样的,表面并不相关表面并不相关,牛顿力学却能把地上牛顿力学却能把地上的和天上的所有物体的机械运动的规律都统一起的和天上的所有物体的机械运动的规律都统一起来来;麦克斯韦的电磁理论麦克斯韦的电磁理论,又把表象完全不

7、同的电、又把表象完全不同的电、磁、光的运动统一了起来磁、光的运动统一了起来,所以牛顿力学理论和麦所以牛顿力学理论和麦克斯韦的电磁理论都具有统一美。克斯韦的电磁理论都具有统一美。3、统一美、统一美物理之美物理之美2021/2/217截然不同的天上星体的运动和地上物体的运动统一起截然不同的天上星体的运动和地上物体的运动统一起来来。这是牛顿对古典力学成功的完美结合。这是牛顿对古典力学成功的完美结合,这不仅是这不仅是因为牛顿有追求理论和谐统一的动机因为牛顿有追求理论和谐统一的动机,更重要的是他更重要的是他开辟了一条达到这种和谐统一的正确途径。开辟了一条达到这种和谐统一的正确途径。牛顿第一运动定律牛顿第

8、一运动定律牛顿第二运动定律牛顿第二运动定律牛顿第三运动定律牛顿第三运动定律开普勒第一定律开普勒第一定律开普勒第二定律开普勒第二定律开普勒第三定律开普勒第三定律万有引万有引力定律力定律物理之美物理之美2021/2/218 和谐美是指事物和现象的各种要素、各个部分、和谐美是指事物和现象的各种要素、各个部分、各个方面的协调有序、匀称流畅。一般地说各个方面的协调有序、匀称流畅。一般地说,美至少美至少有两个各具特征的层次有两个各具特征的层次,一个是事物外在的感性形态一个是事物外在的感性形态美美;另一个则是内在的和谐理性之美。物理源于客观另一个则是内在的和谐理性之美。物理源于客观实体实体,但又高于客观实体

9、但又高于客观实体,物理是通过建立抽象的、理物理是通过建立抽象的、理想的模型来做为构造理论体系的基础想的模型来做为构造理论体系的基础,这些模型和理这些模型和理论分别具有模型美与和谐美。论分别具有模型美与和谐美。4和谐性和谐性物理之美物理之美怒发冲天怒发冲天点电荷的电场线点电荷的电场线2021/2/219如果说艺术创造美如果说艺术创造美,那么物理也在创造着艺术那么物理也在创造着艺术,它为艺术的创造提供必要的物质基础和一定的它为艺术的创造提供必要的物质基础和一定的理论依据。各种乐器之所以具有不同的音色和理论依据。各种乐器之所以具有不同的音色和韵律韵律,其中物理学的贡献是很大的其中物理学的贡献是很大的

10、,尤其是电子尤其是电子乐器和各种音响设备的出现乐器和各种音响设备的出现,更能体现这一点。更能体现这一点。绘画艺术中色彩的搭配更是离不开物理绘画艺术中色彩的搭配更是离不开物理:国外国外超现实主义画家利用物理学中光声规律创造艺超现实主义画家利用物理学中光声规律创造艺术品术品;节日的联欢晚会上节日的联欢晚会上,五彩斑烂五彩斑烂,变幻莫测场变幻莫测场面面,更是离不开光更是离不开光;一幅全息图惟妙惟肖地真实一幅全息图惟妙惟肖地真实重现了一个立体物体重现了一个立体物体;这些都能给人以这些都能给人以“艺术美艺术美”的享受。的享受。5艺术美艺术美物理之美物理之美2021/2/2110第一第一,物理学创造了一个

11、人造物理世界物理学创造了一个人造物理世界,它为人类直接它为人类直接提供了巨大的物质财富和精神享受。电、电磁波、光提供了巨大的物质财富和精神享受。电、电磁波、光子器件、半导体、激光、计算机、原子能和平利用以子器件、半导体、激光、计算机、原子能和平利用以及超导等及超导等,无疑给人类文明增添了光彩。给人一种欣慰无疑给人类文明增添了光彩。给人一种欣慰的美感。的美感。第二第二,物理运动是自然界最基本的运动之一物理运动是自然界最基本的运动之一,如如19世世纪纪,物理学基础学科曾对化学、冶金学、医学等学科起物理学基础学科曾对化学、冶金学、医学等学科起过巨大作用过巨大作用,尤其是能量守恒定律更是作为自然界的一

12、尤其是能量守恒定律更是作为自然界的一个普遍原理为人们所接受。量子论、相对论是现代科个普遍原理为人们所接受。量子论、相对论是现代科学技术的两大支柱学技术的两大支柱,在这个基础上出现了固体物理、量在这个基础上出现了固体物理、量子电动力学、量子生物学、量子化学等学科。在技术子电动力学、量子生物学、量子化学等学科。在技术领域内发展了材料科学、宇航、原子弹、计算机等一领域内发展了材料科学、宇航、原子弹、计算机等一系列科学。系列科学。6适用美适用美物理之美物理之美2021/2/2111“教人学习方法教人学习方法”是教育的根本目的。是教育的根本目的。美感教育是美感教育是培养人们的创造力、激发人的创造心理动机

13、的重要培养人们的创造力、激发人的创造心理动机的重要途径途径,它常常成为人们创造性重大突破的关键它常常成为人们创造性重大突破的关键,成为成为人们新鲜活泼的创造精神的契机。人们新鲜活泼的创造精神的契机。 所以我们在教所以我们在教学时要教会学生能自觉地按学时要教会学生能自觉地按“美的规律美的规律”去学习创造去学习创造,最终系统地发展自己的审美能力和创造力最终系统地发展自己的审美能力和创造力,完善自完善自己的审美结构和智能结构己的审美结构和智能结构,这就要求教学中教师要这就要求教学中教师要善于挖掘物理之美善于挖掘物理之美,进行美的教学进行美的教学。物理之美物理之美2021/2/2112 罗丹有一句名言

14、罗丹有一句名言:“生活中并不缺少美生活中并不缺少美,而而是缺少美的发现是缺少美的发现”。物理教学同样如此。物理教学同样如此,物理物理本身并不是美学本身并不是美学,要想使物理教程从枯燥的铅要想使物理教程从枯燥的铅字变成闪烁美的光彩的科学诗篇字变成闪烁美的光彩的科学诗篇,关键在于我关键在于我们教师平常教学中要善于发掘物理科学美们教师平常教学中要善于发掘物理科学美,去去展示其美学特征展示其美学特征,去创设美的意境去创设美的意境,让学生潜移让学生潜移默化受到物理科学美的陶冶默化受到物理科学美的陶冶,这就是教学的艺这就是教学的艺术。术。三、美的物理教学三、美的物理教学2021/2/2113 （1） 从物

15、理学家追求科学中去体现。从物理学家追求科学中去体现。1 1、从教材中挖掘出美的因素、从教材中挖掘出美的因素, ,引导学引导学生鉴赏物理内容的美生鉴赏物理内容的美美的物理教学美的物理教学英国物理学家布拉凯特拍摄了英国物理学家布拉凯特拍摄了2万多张云室万多张云室照片终于从照片终于从40多万条多万条a粒子径迹中发现有粒子径迹中发现有8条产条产生了分叉生了分叉,从而证实从而证实a粒子轰击氮核后产生了新粒子轰击氮核后产生了新核等等。核等等。德国天文学家开普勒不顾贫病交加夜以继日德国天文学家开普勒不顾贫病交加夜以继日地观察天体运动地观察天体运动,发现了天体运动三大定律发现了天体运动三大定律;英国物理学家焦

16、耳把华生精力放在热功当英国物理学家焦耳把华生精力放在热功当量的实验研究上量的实验研究上,为能量守恒定律的发现奠定为能量守恒定律的发现奠定了坚实的实验基础了坚实的实验基础;2021/2/2114（2） 从物理概念、物理量和物理规律中去体现。从物理概念、物理量和物理规律中去体现。美的物理教学美的物理教学展示形式的统一性展示形式的统一性,就是美的事物在外在形式就是美的事物在外在形式所具有的相对独立的审美特性。如所具有的相对独立的审美特性。如:2021/2/2115 瞬时作用瞬时作用: F=ma力的作用效果力的作用效果 空间的积累空间的积累:W总总=EK 时间的积累时间的积累:I总总=P由于这三个力学

17、规律存在内在关系的统一由于这三个力学规律存在内在关系的统一性性,则对一道力学题则对一道力学题,原则上都可分别通过这原则上都可分别通过这三种思路来解答。三种思路来解答。美的物理教学美的物理教学展示内涵的统一性。展示内涵的统一性。2021/2/2116（）从对称性上去体现。）从对称性上去体现。美的物理教学美的物理教学事物的对称形式事物的对称形式,会给人们以审美的愉悦。在会给人们以审美的愉悦。在中学物理教材中中学物理教材中,对称美遍及整个内容对称美遍及整个内容,列举比列举比较明显的几例。较明显的几例。空间上的对称。如空间上的对称。如:平面镜成像的镜面对称平面镜成像的镜面对称;点电荷电场分布的球面对称

18、点电荷电场分布的球面对称;时间上的对称。如时间上的对称。如:简谐振动的周期、竖直简谐振动的周期、竖直上抛运动中的上升与下落时间上抛运动中的上升与下落时间;作用与反作用的对称作用与反作用的对称;正电荷与负电荷的对称正电荷与负电荷的对称2021/2/2117平面镜成像的镜面对称平面镜成像的镜面对称点电荷电场分点电荷电场分布的球面对称布的球面对称 正电荷与负电荷的对称正电荷与负电荷的对称 粒子的运动轨迹粒子的运动轨迹构成了一朵怒放的构成了一朵怒放的梅花梅花,香气迎风而来香气迎风而来! 美的物理教学美的物理教学2021/2/2118美的物理教学美的物理教学2021/2/2119（4） 从研究法上去体现

19、从研究法上去体现美的物理教学美的物理教学如如:平抛运动与电场中带电粒子的运动均可采用平抛运动与电场中带电粒子的运动均可采用合成、分解法去研究合成、分解法去研究;人造卫星绕地球的运动人造卫星绕地球的运动,电场中电子绕核作电场中电子绕核作圆周运动等都可用相同的研究方法圆周运动等都可用相同的研究方法;在解题方法上在解题方法上,有整体法与隔离法的统一有整体法与隔离法的统一;综综合法与分析法的统一等。合法与分析法的统一等。2021/2/2120(5)从物质自然属性体现从物质自然属性体现-色、形、声三方面色、形、声三方面:三梭镜发生色散现象三梭镜发生色散现象 尽显迷人光芒尽显迷人光芒一元硬币的绕射图样一元

20、硬币的绕射图样激光在油水中的传播路径激光在油水中的传播路径美的物理教学美的物理教学、“色色”2021/2/2121海市蜃景海市蜃景光的色散光的色散光的色散光的色散日环食日环食美的物理教学美的物理教学2021/2/2122、“形形”简谐振动的图象简谐振动的图象晶体外形的规则性晶体外形的规则性 美的物理教学美的物理教学蛇蛇形形线线非晶体非晶体-溶洞奇景溶洞奇景高贵气派高贵气派2021/2/2123天坛天坛的声的声现象现象美的物理教学美的物理教学、“声声2021/2/2124美的物理教学美的物理教学2、以美引趣、以美引趣,培养学生的审美感受能力、培养学生的审美感受能力、鉴赏能力鉴赏能力在物理教学中在

21、物理教学中,实验就是其中一种常用而有效的感受实验就是其中一种常用而有效的感受美的方法。古人云美的方法。古人云:“百闻不如一见百闻不如一见”。物理是以实。物理是以实验为基础的学科验为基础的学科,所以可以通过实验这一中介所以可以通过实验这一中介,直接作直接作用于人的感官用于人的感官,调动人们的生活经验调动人们的生活经验,依赖人们的科学依赖人们的科学素养素养,在观察和想象中让人们去感受它的美的在观察和想象中让人们去感受它的美的,借助精借助精心设计的实验心设计的实验,往往会使学生激起强烈的审美情趣。往往会使学生激起强烈的审美情趣。2021/2/2125例如例如:在学习在学习“单摆单摆”,新教材将之放在

22、新教材将之放在“简谐运动的图简谐运动的图像像”之后。学生通过阅读教材之后。学生通过阅读教材,动手推导可以在理论动手推导可以在理论上证明当单摆偏角上证明当单摆偏角很小时很小时,单摆的运动是简谐运动单摆的运动是简谐运动,体验物理的逻辑美。再用沙摆装置通过实验的方法体验物理的逻辑美。再用沙摆装置通过实验的方法显示出一条优美的曲线显示出一条优美的曲线,学生无不赞叹学生无不赞叹,如此漂亮的如此漂亮的曲线曲线,竟与理论推导如此吻合竟与理论推导如此吻合!美的物理教学美的物理教学2021/2/2126美的物理教学美的物理教学光的干涉光的干涉2021/2/2127美的物理教学美的物理教学当然当然,科学美是一种抽象的理性的美科学美是一种抽象的理性的美,对科学美的鉴赏对科学美的鉴赏是需要训练和培植的。一个从未体验过科学美的人在是需要训练和培植的。一个从未体验过科学美的人在学习科学理论和实验时学习科学理论和实验时,可能会觉得面临的不过是一可能会觉得面临的不过是一大堆枯燥无味令人厌恶的符号、公式和机件大堆枯燥无味令人厌恶的符号、公式和机件,毫无美毫无美感可言感可言,在物理教学中在物理教学中,我们应该引导学生去认识自然我们应该引导学生去认识自然界的质朴的统一和谐美界的质朴的统一和谐美;