讓學生感受物理的科學美

范永志

物理學本身是一個美的世界,蘊含著豐富的科學美,認識與發掘物理中的美,從美的角度去認識物理、研究物理,可以提高學生學習物理的興趣,加深對物理的理解,培養科學的審美觀念。

物理學的研究對象大到天體,小到共振粒子,從實體到另一形態的場、光等都是物質的。物質又是運動的,如機械運動、分子熱運動、電磁運動、光波傳播,實際上是不同形態物質的不同運動形式,它們的運動是有規律的,自然界是合理的、簡單的、有序的。因此,科學家們在探索真理的過程中,往往以科學美作為追求的目標,通過他們的努力而形成物理理論,在內容上、形式上是那么自然、簡單、和諧,無不散發出美的光輝。教師平時教學中應向學生展示物理知識的美的一面,激發學生愛美的天性。例如:物理內容的簡單美,表現在物理概念、規律的表達上:科學、準確、簡潔。熱現象是眾多物理學家爭論了一個多世紀的問題,卻以“大量分子的無規則運動”十個字做了結論;物理學的對稱美,給人一種圓滿,勻稱的美感;運動與靜止,勻速與變速,引力和斥力,反射和折射,運動及其運動規律的對稱性而產生的美感。物理學理論內部相互自洽而展現和諧美,自由落體、豎直上拋、下拋以及各種直線的勻加速與勻減速運動都可以統一于運動學的速度和位移兩個公式中,牛頓力學公式,可以把地上的物體與天上的星體統一起來。由此可見,教學中只要我們善于發掘,物理學中的各種美學特征便會隨處可見。下面從更深層次角度來感受中學物理中的“美”。

一、物理知識的哲學美

在講電學伏安法測小燈泡的電阻時巧妙的滲透了“測不準原理”的思想,當電流表內接時,測出的小燈泡的電流是準確的,而測出的電壓偏大,因此計算出的小燈泡的電阻就比實際的電阻偏大,如果采用電壓表內接的方法,測出電壓是準確的,但測出的電流又將偏大,這樣計算出的小燈泡的電阻又將偏小,因此無論如何改進實驗,都不能完全準確的計算出被測小燈泡的電阻,測量在方法上本身就有欠缺,但我們又很難改變。進而授課教師順水推舟的闡述楊振寧和李政道的理論:原子物理學中的“空間和時間不能同時測準”的著名測不準原理,讓學生體會“魚和熊掌”不可兼得的哲理。

二、物理學中的統一美

物理所研究的是從不同事物運動變化的多樣性中找出它們的內在聯系和共性,通過這種聯系和共性構成一個統一的理論體系,這就是科學美中的多樣性統一美。在物理中一些表面看來不相同的概念、定理、定律,在一定的條件下可以處于統一的系統中。中學物理中這種多樣性統一美的例子是很多的,如:描述宏觀物體機械運動的概念、定理、定律是各種各樣的,表面并不相關,牛頓力學卻能把所有物體的機械運動規律都統一起來;麥克斯韋的電磁理論, 又把表象完全不同的電、磁、光的運動統一了起來,所以牛頓力學理論和麥克斯韋的電磁理論都具有統一美。

三、物理學中的模型美

物理源于客觀實體,但又高于客觀實體,物理是通過建立抽象的、理想的模型來作為構造理論體系的基礎,這些模型和理論都具有模型美。例如物理中的電場線和磁感線是一類抽象模型,它們都是為了形象描述客觀實體電場和磁場的性質所畫出的具有一定規律并且頗具美感的線條,這些線條以美的形態把抽象的場變為能夠為視覺感受到的模型,模型在體現模型美的同時也體現了電場和磁場的抽象美。

四、物理學中的狀態美與過程美

物體的運動變化往往是連續的,用牛頓運動定律及運動學規律可以求出某一瞬間的有關物理量,這些瞬間的量就構成了問題過程的細節,所構造出的物理情景以其連續性呈現出過程美;狀態美則體現對定態量的定義和數量上的把握,動能、勢能、動量等都是定態量,無論動量守恒、還是機械能守恒都體現了狀態量對定態變化前后的一致性,使物理的狀態情景具有美感。學習物理既要善于從狀態、定態上去把握物體,又要善于從過程、動態上去掌握運動變化的規律,從定態和動態中去理解、去體驗物理情景的狀態美與過程美,通過美化物理情景來達到活化物理情景,從而能使學生對物理的理解從科學美上得到形象化的拓寬和加深。

五、追求真理的精神美

在教學中把物理知識的發現史講給孩子們聽,通過科學家為捍衛真理,追求真理的過程,讓學生體會物理學中的精神之美,如哥白尼——深信日心說的完美與和諧;布魯諾——用生命捍衛真理的英名和美德;牛頓——我有幸撿到美麗的貝殼,是因為我站在巨人的肩上;居里夫人——用祖國的名字來命名新發現的元素;錢三強、錢學森——放棄國外優越的生活條件回國報效祖國。

羅丹有一句名言:“生活中并不缺少美,而是缺少美的發現”。物理教學也同樣如此,因此物理作為自然科學的一門主科,在中學物理教學中,就應更多地追求教學中的科學美,指導學生從科學美的方面去認識物理、學習物理,這樣一定可以使學生對物理的理解在科學審美中得到飛躍和升華。

作者單位:廣東省佛山市順德區龍江中學