物理之美與美的物理教學(xué)

還有人把物理學(xué)之美說成它具有明快簡潔美，均衡對稱美，奇異相對美和和諧統(tǒng)一美。也有人把物理學(xué)之美分為：物理學(xué)研究對象的之美，物理學(xué)理論的之美，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的之美和物理學(xué)常數(shù)的之美等。

著名物理學(xué)家楊振寧先生把物理學(xué)之美分為三類：即現(xiàn)象之美，理論描述之美，理論結(jié)構(gòu)之美。物理學(xué)中的美，就是一種科學(xué)美。第一頁第二頁，共33頁。1、新奇美；2、簡潔美；3、統(tǒng)一美；4、和諧美；5、藝術(shù)美；6、適用美。二、物理之美的幾種形式第二頁第三頁，共33頁?？茖W(xué)把獨(dú)創(chuàng)性定義為一種最高的價(jià)值，因?yàn)橹挥型ㄟ^具有獨(dú)創(chuàng)性的科學(xué)研究成果，科學(xué)才能進(jìn)步。獨(dú)創(chuàng)性的理論成果給人以新奇美。當(dāng)我們初次接觸到相對論（提出了“時(shí)間和空間的相對性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念。）、量子力學(xué)（描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué)）、宇宙大爆炸理論（宇宙起源及推測宇宙最終歸宿）時(shí)，就會(huì)有這種美感。1、新奇美◎◎◎物理之美◎◎◎第三頁第四頁，共33頁。以簡單、潔凈呈現(xiàn)其美感，簡潔美是科學(xué)美的特征之一。著名物理學(xué)家愛因斯坦曾指出：“自然規(guī)律的簡單性也是一種客觀事實(shí)，而且正確的概念體系必須使這種簡單性在主觀方面和客觀方面保持平衡?！蔽锢砻赖暮啙嵭圆⒉皇侵肝锢韮?nèi)容本身簡單，而是物理理論體系的結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式簡潔。2．簡潔美愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系方程：E=mc2

◎◎◎物理之美◎◎◎反映質(zhì)量與能量之間的聯(lián)系，指導(dǎo)人們認(rèn)識(shí)核反應(yīng)的規(guī)律，并為獲得巨大能量提供了理論基礎(chǔ)。第四頁第五頁，共33頁。

物理所研究的是從不同事物運(yùn)動(dòng)變化的多樣性中找出它們的內(nèi)在聯(lián)系和共性，這樣就形成了既千變?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。例如，描述宏觀物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的概念、定理、定律是各種各樣的，表面并不相關(guān)，牛頓力學(xué)卻能把地上的和天上的所有物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都統(tǒng)一起來；麥克斯韋的電磁理論，又把表象完全不同的電、磁、光的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起來，所以牛頓力學(xué)理論和麥克斯韋的電磁理論都具有統(tǒng)一美。3、統(tǒng)一美

◎◎◎物理之美◎◎◎第五頁第六頁，共33頁。截然不同的天上星體的運(yùn)動(dòng)和地上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來。這是牛頓對古典力學(xué)成功的完美結(jié)合，這不僅是因?yàn)榕ｎD有追求理論和諧統(tǒng)一的動(dòng)機(jī)，更重要的是他開辟了一條達(dá)到這種和諧統(tǒng)一的正確途徑。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律開普勒第一定律開普勒第二定律開普勒第三定律萬有引力定律◎◎◎物理之美◎◎◎第六頁第七頁，共33頁。和諧美是指事物和現(xiàn)象的各種要素、各個(gè)部分、各個(gè)方面的協(xié)調(diào)有序、勻稱流暢。一般地說，美至少有兩個(gè)各具特征的層次，一個(gè)是事物外在的感性形態(tài)美；另一個(gè)則是內(nèi)在的和諧理性之美。物理源于客觀實(shí)體，但又高于客觀實(shí)體，物理是通過建立抽象的、理想的模型來做為構(gòu)造理論體系的基礎(chǔ)，這些模型和理論分別具有模型美與和諧美。4．和諧性◎◎◎物理之美◎◎◎怒發(fā)沖天點(diǎn)電荷的電場線第七頁第八頁，共33頁。如果說藝術(shù)創(chuàng)造美，那么物理也在創(chuàng)造著藝術(shù)，它為藝術(shù)的創(chuàng)造提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)和一定的理論依據(jù)。各種樂器之所以具有不同的音色和韻律，其中物理學(xué)的貢獻(xiàn)是很大的，尤其是電子樂器和各種音響設(shè)備的出現(xiàn)，更能體現(xiàn)這一點(diǎn)。繪畫藝術(shù)中色彩的搭配更是離不開物理：國外超現(xiàn)實(shí)主義畫家利用物理學(xué)中光聲規(guī)律創(chuàng)造藝術(shù)品；節(jié)日的聯(lián)歡晚會(huì)上，五彩斑爛，變幻莫測場面，更是離不開光；一幅全息圖惟妙惟肖地真實(shí)重現(xiàn)了一個(gè)立體物體；這些都能給人以“藝術(shù)美”的享受。5．藝術(shù)美◎◎◎物理之美◎◎◎第八頁第九頁，共33頁。第一，物理學(xué)創(chuàng)造了一個(gè)人造物理世界，它為人類直接提供了巨大的物質(zhì)財(cái)富和精神享受。電、電磁波、光子器件、半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)、原子能和平利用以及超導(dǎo)等，無疑給人類文明增添了光彩。給人一種欣慰的美感。

第二，物理運(yùn)動(dòng)是自然界最基本的運(yùn)動(dòng)之一，如19世紀(jì)，物理學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科曾對化學(xué)、冶金學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科起過巨大作用，尤其是能量守恒定律更是作為自然界的一個(gè)普遍原理為人們所接受。量子論、相對論是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的兩大支柱，在這個(gè)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了固體物理、量子電動(dòng)力學(xué)、量子生物學(xué)、量子化學(xué)等學(xué)科。在技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展了材料科學(xué)、宇航、原子彈、計(jì)算機(jī)等一系列科學(xué)。6．適用美◎◎◎物理之美◎◎◎第九頁第十頁，共33頁?！敖倘藢W(xué)習(xí)方法”是教育的根本目的。美感教育是培養(yǎng)人們的創(chuàng)造力、激發(fā)人的創(chuàng)造心理動(dòng)機(jī)的重要途徑，它常常成為人們創(chuàng)造性重大突破的關(guān)鍵，成為人們新鮮活潑的創(chuàng)造精神的契機(jī)。所以我們在教學(xué)時(shí)要教會(huì)學(xué)生能自覺地按“美的規(guī)律”去學(xué)習(xí)創(chuàng)造，最終系統(tǒng)地發(fā)展自己的審美能力和創(chuàng)造力，完善自己的審美結(jié)構(gòu)和智能結(jié)構(gòu)，這就要求教學(xué)中教師要善于挖掘物理之美，進(jìn)行美的教學(xué)?！颉颉蛭锢碇馈颉颉虻谑摰谑豁?，共33頁。羅丹有一句名言：“生活中并不缺少美，而是缺少美的發(fā)現(xiàn)”。物理教學(xué)同樣如此，物理本身并不是美學(xué)，要想使物理教程從枯燥的鉛字變成閃爍美的光彩的科學(xué)詩篇，關(guān)鍵在于我們教師平常教學(xué)中要善于發(fā)掘物理科學(xué)美，去展示其美學(xué)特征，去創(chuàng)設(shè)美的意境，讓學(xué)生潛移默化受到物理科學(xué)美的陶冶，這就是教學(xué)的藝術(shù)。三、美的物理教學(xué)第十一頁第十二頁，共33頁。（1）從物理學(xué)家追求科學(xué)中去體現(xiàn)。1、從教材中挖掘出美的因素，引導(dǎo)學(xué)生鑒賞物理內(nèi)容的美※※※美的物理教學(xué)※※※※英國物理學(xué)家布拉凱特拍攝了2萬多張?jiān)剖艺掌K于從40多萬條a粒子徑跡中發(fā)現(xiàn)有8條產(chǎn)生了分叉，從而證實(shí)a粒子轟擊氮核后產(chǎn)生了新核等等?！聡煳膶W(xué)家開普勒不顧貧病交加夜以繼日地觀察天體運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)三大定律；※英國物理學(xué)家焦耳把華生精力放在熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)研究上，為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；第十二頁第十三頁，共33頁。（2）從物理概念、物理量和物理規(guī)律中去體現(xiàn)。※※※美的物理教學(xué)※※※①展示形式的統(tǒng)一性，就是美的事物在外在形式所具有的相對獨(dú)立的審美特性。如：第十三頁第十四頁，共33頁。瞬時(shí)作用：F=ma力的作用效果空間的積累：W總=△EK時(shí)間的積累：I總=△P由于這三個(gè)力學(xué)規(guī)律存在內(nèi)在關(guān)系的統(tǒng)一性，則對一道力學(xué)題，原則上都可分別通過這三種思路來解答?！赖奈锢斫虒W(xué)※※※②展示內(nèi)涵的統(tǒng)一性。第十四頁第十五頁，共33頁。（⒊）從對稱性上去體現(xiàn)?！赖奈锢斫虒W(xué)※※※事物的對稱形式，會(huì)給人們以審美的愉悅。在中學(xué)物理教材中，對稱美遍及整個(gè)內(nèi)容，列舉比較明顯的幾例。①空間上的對稱。如：平面鏡成像的鏡面對稱；點(diǎn)電荷電場分布的球面對稱；②時(shí)間上的對稱。如：簡諧振動(dòng)的周期、豎直上拋運(yùn)動(dòng)中的上升與下落時(shí)間；③作用與反作用的對稱；④正電荷與負(fù)電荷的對稱……第十五頁第十六頁，共33頁。平面鏡成像的鏡面對稱點(diǎn)電荷電場分布的球面對稱正電荷與負(fù)電荷的對稱粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡構(gòu)成了一朵怒放的梅花，香氣迎風(fēng)而來!

※※※美的物理教學(xué)※※※第十六頁第十七頁，共33頁。※※※美的物理教學(xué)※※※第十七頁第十八頁，共33頁。（4）從研究法上去體現(xiàn)※※※美的物理教學(xué)※※※如：①平拋運(yùn)動(dòng)與電場中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)均可采用合成、分解法去研究；②人造衛(wèi)星繞地球的運(yùn)動(dòng)，電場中電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)等都可用相同的研究方法；③在解題方法上，有整體法與隔離法的統(tǒng)一；綜合法與分析法的統(tǒng)一等。第十八頁第十九頁，共33頁。(5)從物質(zhì)自然屬性體現(xiàn)----色、形、聲三方面：三梭鏡發(fā)生色散現(xiàn)象盡顯迷人光芒一元硬幣的繞射圖樣激光在油水中的傳播路徑※※※美的物理教學(xué)※※※①、“色”第十九頁第二十頁，共33頁。海市蜃景光的色散光的色散日環(huán)食※※※美的物理教學(xué)※※※第二十頁第二十一頁，共33頁。②、“形”簡諧振動(dòng)的圖象晶體外形的規(guī)則性※※※美的物理教學(xué)※※※蛇形線非晶體------溶洞奇景高貴氣派第二十一頁第二十二頁，共33頁。天壇的聲現(xiàn)象※※※美的物理教學(xué)※※※③、“聲第二十二頁第二十三頁，共33頁?！赖奈锢斫虒W(xué)※※※2、以美引趣，培養(yǎng)學(xué)生的審美感受能力、鑒賞能力在物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)就是其中一種常用而有效的感受美的方法。古人云：“百聞不如一見”。物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，所以可以通過實(shí)驗(yàn)這一中介，直接作用于人的感官，調(diào)動(dòng)人們的生活經(jīng)驗(yàn)，依賴人們的科學(xué)素養(yǎng)，在觀察和想象中讓人們?nèi)ジ惺芩拿赖?，借助精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，往往會(huì)使學(xué)生激起強(qiáng)烈的審美情趣。第二十三頁第二十四頁，共33頁。例如：在學(xué)習(xí)“單擺”，新教材將之放在“簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像”之后。學(xué)生通過閱讀教材，動(dòng)手推導(dǎo)可以在理論上證明當(dāng)單擺偏角θ很小時(shí)，單擺的運(yùn)動(dòng)是簡諧運(yùn)動(dòng)，體驗(yàn)物理的邏輯美。再用沙擺裝置通過實(shí)驗(yàn)的方法顯示出一條優(yōu)美的曲線，學(xué)生無不贊嘆，如此漂亮的曲線，竟與理論推導(dǎo)如此吻合！※※※美的物理教學(xué)※※※第二十四頁第二十五頁，共33頁。※※※美的物理教學(xué)※※※光的干涉第二十五頁第二十六頁，共33頁。※※※美的物理教學(xué)※※※當(dāng)然，科學(xué)美是一種抽象的理性的美，對科學(xué)美的鑒賞是需要訓(xùn)練和培植的。一個(gè)從未體驗(yàn)過科學(xué)美的人在學(xué)習(xí)科學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能會(huì)覺得面臨的不過是一大堆枯燥無味令人厭惡的符號(hào)、公式和機(jī)件，毫無美感可言，在物理教學(xué)中，我們應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識(shí)自然界的質(zhì)樸的統(tǒng)一和諧美；認(rèn)識(shí)物理學(xué)的精巧、絕妙、深刻和普適的科學(xué)美，從而培植起科學(xué)美的鑒賞能力。它不僅能夠使學(xué)生更深入地認(rèn)識(shí)自然界的種種奧秘，也能更深刻地體驗(yàn)到物理大師們那種崇尚理性、崇尚實(shí)踐、崇尚美的科學(xué)境界，并從中汲取他們的思想營養(yǎng)，充實(shí)自己，塑造自己，在未來的自然探索中發(fā)揮創(chuàng)造才能。第二十六頁第二十七頁，共33頁。OABv帶電粒子A以不同的入射速度徑向射入勻強(qiáng)磁場的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以看出軌跡的對稱美，從中不難找出運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)----對稱美賞析第二十七頁第二十八頁，共33頁?！赖奈锢斫虒W(xué)※※※《機(jī)械波》第二十八頁第二十九頁，共33頁。