科學(xué)美與學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)

客觀世界中存在著各種成比例、有組織、有秩序、有結(jié)構(gòu)的事物，有的表現(xiàn)出對稱、簡單、和諧與多樣統(tǒng)一美，如聲音的回音、共鳴；光的干涉、衍射花紋等。客觀世界的上述特點(diǎn)，有的表現(xiàn)在理論體系、科學(xué)概念、數(shù)學(xué)方程中，有的表現(xiàn)在邏輯結(jié)構(gòu)的合理勻稱和豐富多彩的聯(lián)系上，所有這些往往能夠激發(fā)起人們的審美動機(jī)、使人們獲得精神上的滿足，激發(fā)起巨大的創(chuàng)造熱情。這種自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的若干內(nèi)在的本質(zhì)規(guī)律，邏輯上給人以圓滿、協(xié)調(diào)、自洽的感受，形式上，給人以對稱、比例、和諧與多樣統(tǒng)一的感受，這就是科學(xué)美。

科學(xué)美又是一種科學(xué)研究的方法，它對科學(xué)研究起著非常重要的作用，無數(shù)的科學(xué)研究成果都是在它的原則指導(dǎo)下取得的。美是科學(xué)的本性之一，同時又是進(jìn)行科學(xué)研究的動力之一。

哥白尼、開普勒、伽利略、笛卡兒、牛頓等這些近代科學(xué)舞臺上的巨匠都相信自然界是和諧優(yōu)美的，自然界是合理的、簡單的和有秩序的。開普勒在他自述18年艱苦奮斗的動力時說：“我一見到哥白尼的《天體運(yùn)動論》就說：我從靈魂的最深處證明它是真的，我以難以相信的歡樂心情去欣賞它的美”。開普勒深信世界是按完美的數(shù)學(xué)原則創(chuàng)造的，天體運(yùn)動一定有著內(nèi)在的數(shù)學(xué)和諧。對美的追求，給開普勒以無窮的力量，使其18年遨游于枯燥的數(shù)據(jù)海洋之中。

物理美育可以使學(xué)生很好地理解科學(xué)美在理性與實(shí)踐上的含義，可以使學(xué)生從科學(xué)美中進(jìn)一步理解物理概念和規(guī)律。同時，科學(xué)的審美觀念也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的動機(jī)。

在《萬有引力定律》教學(xué)中，通過講述牛頓力學(xué)的美，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣。開普勒用他的行星三定律論述了天體運(yùn)動是如此驚人的簡單與和諧。伽利略用他的動力學(xué)論述了地面物體的運(yùn)動是簡單與和諧的。但當(dāng)把這兩個方面的理論放在一起時，仍然有不和諧之處。因此，物理學(xué)家希望在更大的范圍內(nèi)尋求一種優(yōu)美統(tǒng)一的理論，使天上物體的運(yùn)動和地上物體的運(yùn)動有一種共同的簡單的描述。牛頓根據(jù)開普勒三定律，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)萬有引力定律，從而解釋了開普勒三大定律所解釋的一切，還使人們發(fā)現(xiàn)了海王星和冥王星。一個萬有引力定律揭示了天上、人間凡有引力參與的一切復(fù)雜現(xiàn)象，這是物理史上第一次把天上星體的運(yùn)動和地上物體的運(yùn)動統(tǒng)一起來。第谷的一萬多個天體觀測數(shù)據(jù)，歸結(jié)為開普勒的三句話，并進(jìn)而濃縮為牛頓的一句話，這一切正是緣于人類追求理論和諧統(tǒng)一美。

有這樣一道題：一個質(zhì)量為m，帶有電荷－q的小物體，可在水平軌道Ox上運(yùn)動，O端有一與軌道垂直的固定墻，軌道處于勻強(qiáng)電場中，場強(qiáng)大小為E，方向沿Ox正方向，如下圖所示， 小物體以初速度vO從xO點(diǎn)沿Ox軌道運(yùn)動，運(yùn)動時受到大小不變的摩擦力f的作用，f

這道題若根據(jù)小物體每次與墻相碰后往返的路程來求解，則面對的是一個等比數(shù)列求和問題，雖然數(shù)列形式也是美的，但解法復(fù)雜；若注意到摩擦力做功與路程有關(guān)，則由動能定理列出：

qEx0-Fs=12Mv20

一個式子即可以求出s。比較兩種解法，學(xué)生很自然地就能從這個解答中體驗(yàn)到簡潔美。

又如下面的例題，如果用牛頓定律或單純動力學(xué)知識解決會很麻煩，若用機(jī)械能守恒定律或能量守恒會很簡單，同時也體現(xiàn)自然的和諧美。讓學(xué)生對自然規(guī)律有更深的了解。

如圖所示，一內(nèi)壁光滑的細(xì)管彎成半徑為R＝0.4m的半圓形軌道CD，豎直放置，其內(nèi)徑略大于小球的直徑，水平軌道與豎直半圓軌道在C點(diǎn)連接完好。置于水平軌道上的彈簧左端與豎直墻壁相連，B處為彈簧的自然狀態(tài)。將一個質(zhì)量為m＝0.8kg的小球放在彈簧的右側(cè)后，用力向左側(cè)推小球而壓縮彈簧至A處，然后將小球由靜止釋放，小球運(yùn)動到C處后對軌道的壓力為F1＝58N。水平軌道以B處為界，左側(cè)AB段長為x＝0.3m，與小球的動摩擦因數(shù)為μ＝0.5，右側(cè)BC段光滑。g＝10m/s2，求：

(1)彈簧在壓縮時所儲存的彈性勢能。

(2)小球運(yùn)動到軌道最高處D點(diǎn)時對軌道的壓力。

解析：(1)對小球在C處，由牛頓第二定律及向心力公式得F1－mg＝mv21R

v1＝（F1-mg）Rm＝（58-0.8×10）×0.40.8＝5(m/s)

從A到B，由動能定理得Ep－μmgx＝12mv21

Ep＝12mv21＋μmgx＝12×0.8×52＋0.5×0.8×10×0.3＝11.2(J)

(2)從C到D，由機(jī)械能守恒定律得12mv21＝2mgR＋12mv22

v2＝v21-4gR＝52-4×10×0.4＝3(m/s)

由于v2>gR＝2m/s，所以小球在D處對軌道外壁有壓力。

小球在D處，由牛頓第二定律及向心力公式得

F2＋mg＝mv22R

F2＝m(v22R－g)＝0.8×(320.4－10)＝10(N)

由牛頓第三定律可知，小球在D點(diǎn)對軌道的壓力大小為10N，方向豎直向上。

(責(zé)任編輯 易志毅）