丁映春

[摘 要]美是真與善相統(tǒng)一的形式，美的事物對(duì)人們來(lái)說(shuō)是容易接受、向往的。物理美學(xué)是科學(xué)美學(xué)在物理學(xué)科上的具體表現(xiàn)，在高中物理教學(xué)中有意展示物理之美，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。學(xué)生領(lǐng)悟了物理知識(shí)內(nèi)的在美，就會(huì)在學(xué)習(xí)和運(yùn)用物理知識(shí)中，主動(dòng)探索、研究，并在此過(guò)程中體會(huì)和享受物理之美。

[關(guān)鍵詞]高中教材 物理教學(xué) 物理之美

美學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)中美好事物的科學(xué)，是研究人對(duì)世界審美特點(diǎn)的。美學(xué)向自然學(xué)科領(lǐng)域的滲透，就產(chǎn)生了科學(xué)美。物理學(xué)中存在著各種成比例、有組織、有秩序、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、和諧多樣的美學(xué)景象。這些景象表現(xiàn)在理論體系、科學(xué)概念、數(shù)學(xué)方程的結(jié)構(gòu)和體系中，也表現(xiàn)在邏輯結(jié)構(gòu)的合理勻稱(chēng)和豐富多彩的相互聯(lián)系上，能夠激發(fā)人們的興趣、喜悅，激發(fā)起巨大的創(chuàng)造熱情。這些本質(zhì)規(guī)律，邏輯特點(diǎn)給人：在心靈上以圓滿(mǎn)、協(xié)調(diào)、自然的感受;在形式上以對(duì)稱(chēng)、比例、和諧與多樣統(tǒng)一的感受，這就是物理學(xué)的美。如果物理學(xué)的理論不那么和諧，那一定是還有我們沒(méi)有認(rèn)識(shí)的東西，理論還需要進(jìn)一步完善。物理學(xué)的美歸納起來(lái)包括“對(duì)稱(chēng)、簡(jiǎn)潔、和諧、多樣統(tǒng)一”等。

一、對(duì)稱(chēng)美

對(duì)稱(chēng)美，就是物理學(xué)在揭示自然界物質(zhì)的存在、構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)及其轉(zhuǎn)化等規(guī)律的過(guò)程中因?qū)ΨQ(chēng)性，而產(chǎn)生的美感?！皩?duì)稱(chēng)美”在物理學(xué)中的表現(xiàn)有：時(shí)空對(duì)稱(chēng)、數(shù)學(xué)對(duì)稱(chēng)和抽象對(duì)稱(chēng)。

時(shí)空對(duì)稱(chēng)指的是物理現(xiàn)象（或系統(tǒng)）在時(shí)空變換下的不變性。物理學(xué)中的時(shí)空對(duì)稱(chēng)有空間對(duì)稱(chēng)、時(shí)間對(duì)稱(chēng)、時(shí)間和空間同時(shí)對(duì)稱(chēng)三種情形。如在光學(xué)和固體物理學(xué)中出現(xiàn)的空間對(duì)稱(chēng);在交變電流和電磁振蕩研究中出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)稱(chēng);物體豎直上拋和斜向上拋運(yùn)動(dòng)的上升過(guò)程與下降過(guò)程中的時(shí)空對(duì)稱(chēng)。

數(shù)學(xué)對(duì)稱(chēng)表示物理內(nèi)容在數(shù)學(xué)形式（圖與式）上的對(duì)稱(chēng)性。如電磁學(xué)中庫(kù)侖力的平方反比定律的公式表達(dá)就是追求跟萬(wàn)有引力平方反比定律的對(duì)稱(chēng)而獲得的。

抽象對(duì)稱(chēng)表示為以抽象的方式所反映出的物理內(nèi)容的對(duì)稱(chēng)。即從一個(gè)概念、一個(gè)命題或一個(gè)理論中所反映出來(lái)的對(duì)稱(chēng)性。如在創(chuàng)立廣義相對(duì)論時(shí)，把電磁理論中的洛侖茲不變性作為對(duì)稱(chēng)性假設(shè)。正是這些抽象的對(duì)稱(chēng)性思考，有助于解開(kāi)宇宙密碼，推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展。

二、簡(jiǎn)潔美

物理學(xué)的美在于它的簡(jiǎn)潔，它客觀地展現(xiàn)出“簡(jiǎn)潔”的風(fēng)采。但這個(gè)簡(jiǎn)潔是指物理表達(dá)形式的簡(jiǎn)潔而知識(shí)內(nèi)涵的豐富，是簡(jiǎn)潔和豐富、形式和內(nèi)涵的對(duì)立統(tǒng)一。如一切物質(zhì)都由最簡(jiǎn)單的粒子構(gòu)成。它主要表現(xiàn)在物理學(xué)的理論和方法兩個(gè)方面。

從物理理論的整體來(lái)看，各種物理現(xiàn)象和過(guò)程千差萬(wàn)別，但在本質(zhì)上卻可歸結(jié)為若干基本概念和原理。例如，牛頓定律將宏觀低速條件下各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律組成了一個(gè)秩序井然的集體。這體現(xiàn)了物理學(xué)理論整體的簡(jiǎn)潔美。

物理學(xué)理論的簡(jiǎn)潔美，還表現(xiàn)在組成物理理論的物理概念和物理規(guī)律的表達(dá)方面。作為反映事物本質(zhì)屬性和共同特征的物理概念，是抽象和概括的結(jié)果，它的表述力求簡(jiǎn)潔、精煉，如力是“物體對(duì)物體作用”。物理規(guī)律反映了事物發(fā)生、發(fā)展、變化的規(guī)律，它是觀察、實(shí)驗(yàn)和物理思維相組合的產(chǎn)物，其表述也是在科學(xué)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上力求簡(jiǎn)潔，如E=mc2、F=ma等。

物理學(xué)中的理想化方法是從多維的具體形象中，抓住最具本質(zhì)特征的主要形象，舍棄一些次要形象，建立起一個(gè)輪廓清晰、主題突出的新形象，從而簡(jiǎn)化物理問(wèn)題。例如單擺、質(zhì)點(diǎn)、理想實(shí)驗(yàn)、理想氣體等。顯然，具有簡(jiǎn)潔美。

三、和諧美

協(xié)調(diào)、勻稱(chēng)稱(chēng)之為和諧，和諧是指由于相互之間恰好在整體上顯示出的協(xié)調(diào)，它給人以統(tǒng)一、自恰、對(duì)應(yīng)的美感。物理學(xué)的和諧美主要是指形式和內(nèi)容分別具有和諧性，它主要表現(xiàn)在自恰、對(duì)應(yīng)和互補(bǔ)三個(gè)方面。

自恰，其基本含義是一致，即自身內(nèi)無(wú)不可統(tǒng)一的矛盾。物理學(xué)中的自恰和諧美，主要體現(xiàn)在物理學(xué)各分支理論內(nèi)部以及各分支理論之間的現(xiàn)象、概念、規(guī)律等都是互不矛盾的。例如，牛頓三大定律與動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律是互不矛盾，相輔相成的。

對(duì)應(yīng)和諧美是指由物理學(xué)不同理論間的對(duì)應(yīng)關(guān)系而展現(xiàn)的物理學(xué)和諧美?！皩?duì)應(yīng)”是物理學(xué)和諧美的另一表現(xiàn)形式。如電子、質(zhì)子、中子與正電子、反質(zhì)子、反中子體現(xiàn)了物質(zhì)構(gòu)成的對(duì)應(yīng);而質(zhì)能方程E=mc2則體現(xiàn)了質(zhì)量與能量的對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)是高級(jí)理論對(duì)低級(jí)理論的包容，或者說(shuō)是低級(jí)理論與高級(jí)理論中某一特定條件下的結(jié)論相一致。如當(dāng)vc時(shí)，相對(duì)論力學(xué)的運(yùn)動(dòng)描述就還原為牛頓力學(xué)的描述。

互補(bǔ)和諧美是由物理學(xué)各部分之間的互補(bǔ)關(guān)系而展現(xiàn)出的物理學(xué)和諧美。所謂互補(bǔ)，就是指彼此間互相彌補(bǔ)、相輔相成。物理學(xué)中的互補(bǔ)主要表現(xiàn)在不同的、甚至是相互排斥的物理理論，從不同的側(cè)面描述物理學(xué)的研究對(duì)象。如光的波動(dòng)性與粒子性，從不同側(cè)面反映了光的本質(zhì)。在這里，波動(dòng)性與粒子性既互斥、又互補(bǔ)。

四、多樣統(tǒng)一美

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，這樣就形成了即千變?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。復(fù)雜的物理學(xué)世界只有統(tǒng)一起來(lái)才有美感。物理事物是千姿百態(tài)、千變?nèi)f化的，反應(yīng)物理事物的特性及規(guī)律的物理知識(shí)也是豐富多彩的，因此，由它們構(gòu)成的物理世界，必然呈現(xiàn)出萬(wàn)紫千紅的景象。但是，自然界又是統(tǒng)一的，客觀物理事物之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，通過(guò)這種聯(lián)系使得我們能將各種各樣的物理知識(shí)統(tǒng)一起來(lái)，進(jìn)而形成既千變?nèi)f化又和諧統(tǒng)一的美好畫(huà)卷。例如，牛頓力學(xué)把運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)，麥克斯韋把電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來(lái)，光電效應(yīng)把波、粒二象性統(tǒng)一起來(lái)，質(zhì)能方程把質(zhì)量和能量統(tǒng)一起來(lái)，這就是統(tǒng)一美。

物理學(xué)具有對(duì)稱(chēng)、和諧、簡(jiǎn)潔、多樣統(tǒng)一等美的表現(xiàn)形式。在解決問(wèn)題時(shí)，用美的思想去尋找求解思路，利用物理事物的對(duì)稱(chēng)性、統(tǒng)一性，促使求解過(guò)程簡(jiǎn)潔，追求解題結(jié)果的和諧性。

【例1】 由十二只電阻搭成一個(gè)立方體框架（如圖1），設(shè)每只電阻阻值均為R，求兩對(duì)頂點(diǎn)A、B間的等效電阻。

圖1 圖2

分析：根據(jù)電路的對(duì)稱(chēng)性可知，C、D、E三點(diǎn)的電位都相等，F(xiàn)、G、H三點(diǎn)的電位也相等，等電位點(diǎn)可用導(dǎo)線(xiàn)直接相連而不改變?cè)娐返男阅埽谑?，可將原電路改變成如圖2所示的等效電路，由此可求得A、B間的等效電阻，RAB=5R/6。

圖3 【例2】 平面無(wú)窮方格電阻絲網(wǎng)格如圖3所示，其中每一小段電阻絲的電阻均為r，試求相鄰兩個(gè)格點(diǎn)A、B間的等效電阻RAB。

分析：設(shè)電流I從A點(diǎn)流入，但不從B點(diǎn)流出，I便將從分流地流向無(wú)窮遠(yuǎn)處，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性可知，其中有I/4流經(jīng)AB段。再設(shè)電流I不是從A點(diǎn)流入，而是從無(wú)窮遠(yuǎn)處流向B點(diǎn)，再?gòu)腂點(diǎn)流出，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性可知，其中有I/4流經(jīng)AB段?，F(xiàn)在假設(shè)電流I從A點(diǎn)流入，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)（實(shí)為無(wú)線(xiàn)長(zhǎng)）的時(shí)間達(dá)穩(wěn)定后，從B點(diǎn)流出的也為I，經(jīng)AB段的電流便為兩個(gè)I/4的疊加，即為I/2。于是

UAB=（I/2）r

A、B間的等效電阻便為RAB=UAB/I=r/2。

若求解本題時(shí)，不分析對(duì)稱(chēng)性，就很難求得結(jié)果。

其實(shí)物理學(xué)并不像部分學(xué)生想的那樣乏味、枯燥、單調(diào)，而是蘊(yùn)含著豐富的美的內(nèi)容。教師在教學(xué)過(guò)程中要充分挖掘物理教材中的美好事物，做到以教學(xué)助美育，以美育促教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、興趣、情感。