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真善美慧--四维物理  

2017-08-22 10:59:36|  分类: 教科研 |  标签: |举报 |字号 订阅

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物理学美主要突出表现为:
    一、简单性
    牛顿曾说:“自然界喜欢简单,不爱用多余的原因夸耀自己。”爱因斯坦也把简炼当作鉴别科学理论的重要美学标准。他曾说:“要通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到科学的目的。”物理学的简单性并不是指物理内容本身简单,而是一个简单的公式包涵极其深刻的内容;一个理论的假设条件很少,而概括的经验事实或演译出的推论却很多。物理量的矢量表示及运算给人简洁明快之感;牛顿用ΣF=ma这一简捷的公式建立了“经典力学大厦”;爱因斯坦用二条基本假设创立了狭义相对论,提示了质量和能量的统一性。物理学与数学结合构成了物理学简单美。
    二、抽象性
    客观世界无奇不有,错综复杂。在形形色色的自然现象中抓住事物的本质和主要矛盾抽象出物理概念,用简洁的物理理论阐明自然规律,这就是物理学的抽象性。力学中作平动的物体有各种各样,无论是形状如何,质量有多大一律把它们视为质点。热学中把严格遵守气体状态方程所有真实气体统称为理想气体。而对于看不见、摸不着的电场、磁场用电场线、磁感线形象表示出来更是物理学抽象美的升华。
    三、统一性
    千篇一律和杂乱无章的东西很难给人以美感。只有能把千姿百态的物理现象用统一的理论加以概括和解释,才能给人以美感。物理学中一些不同的概念、规律在一定的条件下可处在一个统一体中。例如:牛顿运动定律既可解决机械运动问题也可以解答带电粒子在电磁场中运动规律。麦克斯韦电磁理论把电现象、磁现象和光现象统一起来。波粒二象性将粒子运动和波动合二为一。功和能量概念沟通了力、热、电、磁、光、原子等领域。真是万变不离其中。
   四、对称性
   对称性是物理美的主要特征。“美和对称紧紧相连。”由于现实世界中处处有对称,既有空间对称又有时间对称。作为研究自然界最普遍最一般规律的物理学自然会渗透着各种各样的对称美。正电荷和负电荷、N极和S极、平面镜成象、光的可逆性、力现象和热现象的动态平衡,还有实验仪器的刻度匀称性都体现出对称美。熔化与凝固、汽化与液化、升华与凝华以内容到形式都具有对称性特征的三对概念。
  在物理学发展史上,有许多新概念、新规律是受到对称性启发而提出的。法拉第受到电流的磁效应启发而提出磁生电的问题,从而发现电磁感应定律,德布罗意受光的波粒二象性启发而提出物质波。物理学的对称美可谓真不少呢。
    五、有序性
    物理现象和规律,在排列上由杂乱到整齐、由无序到有序,这就是物理学的有序美。太阳光透过棱镜形成的连续彩色光谱;杨氏干涉和衍射形成的明暗相间的条纹;太阳行星的轨道排列以及原子内电子的壳层分布都体现着有序性。另外物理学的有序美还体现在热力学中单个分子运动无序性而大量分子运动有序性。
    六、和谐性
    只有和谐的理论才有生命力。物理学的形式和内容非常和谐完备。形式的和谐指具有均匀、周期、匹配等性质的现象。如匀速直线运动,简谐运动、共振等。内容的和谐指物理理论内部是自给的,不相矛盾的。物理学的理论就是沿着和谐──不和谐──和谐的方向螺旋上升发展的。牛顿力学和经典电磁理论在解释物质世界成功时,使当时的科学家赞美备至,后来迈克尔逊的“以太漂移速度”实验和具体辐射的“紫外灾难”都揭示了牛顿力学和经典磁理论不和谐,导致了普朗克量子化理论和爱因斯坦相对论的诞生,从而又使理论变得更加和谐。光的波粒二象性经历了“微粒说”──“波动说”──“光子说”发展过程。
    七、奇异性
    奇异性是物理学美的一个重要特征,也是物理学家不断探索教师激发学生学习兴趣一个重要方面。物理中新颖的结论,奇异的实验现象和巧妙的解题方法都表现了令人惊讶的奇异美。马德堡半球实验,人造卫星失重现象,时空观的相对性,光子能量的不连续性都出人意料。而“魔棒浮蛋”,“太阳光色散”,“沸水养活鱼”,“静电冲冠”实验大大激发学生的求知欲,达到尽善尽美,令人陶醉的境界。
    八、实践性
    实践性是物理学的独特之美,它充分体现了物理学的特点。物理学的实践性表现在物理学概念规律能直接体现这段时期生产力发展水平。任何物理理论来源于生产实践又通过无数次实践检验总结得出的正确的理论,反过来它推动社会进步。历史已经证明:实践是物理学发展和教学必经之路。离开了实验物理学不可能发展;离开了实验,物理教学变成空洞的说教。历史上真是因为有了哥白尼的日心说和开普勒等学者的实践才有牛顿方有引力理论,有了万有引力理论才预见了海王星、冥王星的存在;大量手工劳动兴起和纺纱业的发展才发明了蒸汽机,瓦特发明蒸汽机才使英国工业革命取得全面胜利。
   以上八个审美特征,只是举其要端。此外,数学图象的简洁,逻辑结构的严谨,实验方法的虎色变精巧,某些物理量的守恒......美不胜举,难以言尽。

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