欣赏物理学之美doc - 欣赏物理学之美

欣赏物理学之美doc - 欣赏物理学之美宁波市鄞州中学陈前

一提到物理学我们就会想到爱因斯坦的那张照片：满头白发，满脸皱纹（见图一）。好象做科学的人只知道

研究，不懂得生活，其实这个认识是片面的，爱因斯坦

不但在物理学上成就伟大，而且他的小提琴演奏水平很

高，还能弹一手好钢琴，在美学上也有独到的认识。

请看下面这幅照片（图二），这幅照片的名称叫

dance。这是哈勃望远镜铺获到的一场宇宙中的精彩“舞

会”，左边的“舞者”是较大的星系（ngc2207），“依偎”在旁的是较小的星系（ic2163），ngc2207的“吸引力”（强

图一大的万有引力作用）使得ic2163“翩翩起舞”，它“掷”出的气体、恒星形成约十万光年长的“彩带”。这场“舞会”将在数十亿年后结束。最后两个星系将成为“一体”。这是形式美，它的本质也是美的，因为它们的

作用遵守万有引力定律，我们还可以预见它们的未来

是怎样的。

再举一个例子，英国的卢瑟福用实验证明了原子

是由原子核与电子所构成，原子核居中，电子在外。

但原子的结构究竟是怎样的呢？最初认为原子的结

图二构和太阳系相仿，原子核就好比太阳，而电子就像行

星那样在各自的轨道上绕原子核旋转。但与经典的电磁理论发生了矛盾：绕核运动的电子

应该辐射出电磁波，因此它的能量要不断减少，电子绕核运动的轨道半径也会减小，于是

电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，这样看来，原子应当是不稳定的，而实际上原子是

稳定的。幸而不久迎来了量子力学，对电子这样的微观粒子的行为作了完全不同的描述。

原来电子根本没有一定的位置，也没有一定的运动轨道。原子中的电子就好像云雾般迷漫

在原子核外的空间，形成所谓“电子云”。电子到底在哪儿？科学家们众说纷纭，还是诗人

说得好：“只在此山中，云深不知处。”你看，电子云的意境很朦胧飘逸的吧！

确实物理学是很美丽的。在物理学的发展过程中，物理学家在探索物理学规律的艰辛

旅程中，总是伴随着对美的热烈追求。例如，哥白尼与托勒密地心说的决裂，就是有其执

着追求美的因素，他深信完美的理论在数学上应该是“和谐和简单的”；托勒密为了解释天

文观察的结果，引入了许多“均轮”、“本轮”，使得天文学既复杂又失恰；因此，在极端困难的条件下，哥白尼苦心孤诣，研究了三十多年，终于建立了不朽的日心说；后来，开普

勒深切感受到日心说的美，毅然抛弃了从他的老师第谷那儿接受的地心说观点，他说“我

从灵魂的最深处证明它是真实的，我以难以想象的心情去欣赏它的美。”

关于物理学家对美的感受，我们可以结合彩虹的例子来认识：物理学自?到?到?是

实验理论构架唯象理论论 ? ? 自表面向深层的发展。实验工作者利用三

棱镜在实验室得到彩色光带，发现红光的偏折最?

小，紫光的偏折最大，而且各种单色光再通过一个三棱镜又能还原成白光，这项工作增加

了实验工作者对自然现象的美的认识，这是第一步?。进一步的唯象理论研究?使物理学

家了解到这是由于各种单色光的折射率的不同，此种了解显示出了深一层的美。再进一步

的深入研究发现折射现象本身可从菲涅耳波动方程中推算出来，这就显示出了极深层的理

论构架?的美。其实这是光的色散和还原现象，但是在文学家眼里，此种研究

破坏了朦胧

美，很煞风景；应该说这是理解的角度不同，在物理学家眼里，还世界以简单、真实、和

谐，这是物理学对对美的追求，它是一种理性的美。

爱因斯坦在总结自己的人生道路时也说，“照亮我的道路，并且不断地给我勇气去愉

快地正视生活的理想，是善、美和真。”对于一位喜欢物理学的人来说，他之所以喜欢这

门学问，是因为他看到、感受到这门学问的美，也就是对物理学的美的欣赏、享受与追求。

我们现在的教学教给了学生定理、定律、公式，学生做了大量的习题，学生能进行严密的

推理、精确的计算，也确实培养了学生的思维。但是我们也不能否认有不少学生对真实物

理世界的客观性和美妙性是不够热情的、甚至是冷漠的。因此，研究、挖掘物理学中的科

学美，在物理教学中重视审美教育，已成为当前物理教育的重要话题。在物理教学中进行

美育的途径有很多，本文着重讨论以下三个方面：

一、审美再创造，感受物理美

物理教师在教学中再现由物理学家和教材编写者人化后的物理概念和规律时，还要进

行自己的审美再创造，并在审美再创造过程中展开对学生的美育。这种再创造有如园林工

人把别人创造的树、花、草、石、水再造为园林美一样，仍然大有余地。在物理教学中，

我们要把物理学科学美展现给学生，那么物理学科学美到底有多少呢？

（1）来自于物理学研究对象的美感。例如，高中物理课本第一册的序言，就介绍了

从空间尺度来看，“物理学的最小研究对象是数量级为10

-15m的微观粒子，最大研究对象

262718-25是数量级为10~10m的宇宙”；从时间尺度来看“物质世界的时间尺度从10s到10s，

共跨越了43 ~44个数量级”，形成了一个“首尾相接的蛇形圆图案”。其中展现的是一幅壮

美的“人类探索和逐步认识物质世界的现象、特征、规律和本质的历程”的图景。再如，法

拉第提出的“力线”，不论从形式上，还是内容上都放射着美的光辉；又如，月球绕着地球

转，地球绕着太阳转，而且运行的轨道都是椭圆的，宇宙中所有天体的运行配合得如此默

契，这是多么美丽和谐的景象。

（2）来自于物理学问题的美。例如，汤姆生发现电子后，在X射线使气体电离以及

光电效应等现象中，都从物质中击出了电子，这就表明电子是原子的组成部分；电子是带

负电的，而原子是中性的，可见原子里还有带正电的物质，这些带正电的物质和带负电的

电子是怎样构成原子的，就成了当时物理学家最关心的问题之一。又如，狄拉克建立的统