物理之美与美的物理教学

物理之美与美的物理教学第1页，共32页，2023年，2月20日，星期六谈到美，联想到自然美和艺术美，而对科学美，大多数人则不易感受到，这是因为科学美与艺术美是两种不同形式的美，从美学的角度来讲，一种是事物外在形式所呈现的美，如自然景色的美，音乐的美，雕塑的美，绘画的美，建筑物的美等。另一种是事物内在结构的和谐、秩序而具有的美，这种美比较抽象，是要经过大脑整理、加工形成美的意识或美的观点。这是一种较高层次上的审美。一、引言第2页，共32页，2023年，2月20日，星期六

还有人把物理学之美说成它具有明快简洁美，均衡对称美，奇异相对美和和谐统一美。也有人把物理学之美分为：物理学研究对象的之美，物理学理论的之美，物理学实验的之美和物理学常数的之美等。

著名物理学家杨振宁先生把物理学之美分为三类：即现象之美，理论描述之美，理论结构之美。物理学中的美，就是一种科学美。第3页，共32页，2023年，2月20日，星期六1、新奇美；2、简洁美；3、统一美；4、和谐美；5、艺术美；6、适用美。二、物理之美的几种形式第4页，共32页，2023年，2月20日，星期六科学把独创性定义为一种最高的价值，因为只有通过具有独创性的科学研究成果，科学才能进步。独创性的理论成果给人以新奇美。当我们初次接触到相对论（提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。）、量子力学（描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学）、宇宙大爆炸理论（宇宙起源及推测宇宙最终归宿）时，就会有这种美感。1、新奇美◎◎◎物理之美◎◎◎第5页，共32页，2023年，2月20日，星期六以简单、洁净呈现其美感，简洁美是科学美的特征之一。著名物理学家爱因斯坦曾指出：“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且正确的概念体系必须使这种简单性在主观方面和客观方面保持平衡。”物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单，而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。2．简洁美爱因斯坦的质能联系方程：E=mc2

◎◎◎物理之美◎◎◎反映质量与能量之间的联系，指导人们认识核反应的规律，并为获得巨大能量提供了理论基础。第6页，共32页，2023年，2月20日，星期六

物理所研究的是从不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性，这样就形成了既千变万化又统一的结构美，这也就是科学美中的多样性统一美。例如，描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律是各种各样的，表面并不相关，牛顿力学却能把地上的和天上的所有物体的机械运动的规律都统一起来；麦克斯韦的电磁理论，又把表象完全不同的电、磁、光的运动统一了起来，所以牛顿力学理论和麦克斯韦的电磁理论都具有统一美。3、统一美

◎◎◎物理之美◎◎◎第7页，共32页，2023年，2月20日，星期六截然不同的天上星体的运动和地上物体的运动统一起来。这是牛顿对古典力学成功的完美结合，这不仅是因为牛顿有追求理论和谐统一的动机，更重要的是他开辟了一条达到这种和谐统一的正确途径。牛顿第一运动定律牛顿第二运动定律牛顿第三运动定律开普勒第一定律开普勒第二定律开普勒第三定律万有引力定律◎◎◎物理之美◎◎◎第8页，共32页，2023年，2月20日，星期六和谐美是指事物和现象的各种要素、各个部分、各个方面的协调有序、匀称流畅。一般地说，美至少有两个各具特征的层次，一个是事物外在的感性形态美；另一个则是内在的和谐理性之美。物理源于客观实体，但又高于客观实体，物理是通过建立抽象的、理想的模型来做为构造理论体系的基础，这些模型和理论分别具有模型美与和谐美。4．和谐性◎◎◎物理之美◎◎◎怒发冲天点电荷的电场线第9页，共32页，2023年，2月20日，星期六如果说艺术创造美，那么物理也在创造着艺术，它为艺术的创造提供必要的物质基础和一定的理论依据。各种乐器之所以具有不同的音色和韵律，其中物理学的贡献是很大的，尤其是电子乐器和各种音响设备的出现，更能体现这一点。绘画艺术中色彩的搭配更是离不开物理：国外超现实主义画家利用物理学中光声规律创造艺术品；节日的联欢晚会上，五彩斑烂，变幻莫测场面，更是离不开光；一幅全息图惟妙惟肖地真实重现了一个立体物体；这些都能给人以“艺术美”的享受。5．艺术美◎◎◎物理之美◎◎◎第10页，共32页，2023年，2月20日，星期六第一，物理学创造了一个人造物理世界，它为人类直接提供了巨大的物质财富和精神享受。电、电磁波、光子器件、半导体、激光、计算机、原子能和平利用以及超导等，无疑给人类文明增添了光彩。给人一种欣慰的美感。

第二，物理运动是自然界最基本的运动之一，如19世纪，物理学基础学科曾对化学、冶金学、医学等学科起过巨大作用，尤其是能量守恒定律更是作为自然界的一个普遍原理为人们所接受。量子论、相对论是现代科学技术的两大支柱，在这个基础上出现了固体物理、量子电动力学、量子生物学、量子化学等学科。在技术领域内发展了材料科学、宇航、原子弹、计算机等一系列科学。6．适用美◎◎◎物理之美◎◎◎第11页，共32页，2023年，2月20日，星期六“教人学习方法”是教育的根本目的。美感教育是培养人们的创造力、激发人的创造心理动机的重要途径，它常常成为人们创造性重大突破的关键，成为人们新鲜活泼的创造精神的契机。所以我们在教学时要教会学生能自觉地按“美的规律”去学习创造，最终系统地发展自己的审美能力和创造力，完善自己的审美结构和智能结构，这就要求教学中教师要善于挖掘物理之美，进行美的教学。◎◎◎物理之美◎◎◎第12页，共32页，2023年，2月20日，星期六罗丹有一句名言：“生活中并不缺少美，而是缺少美的发现”。物理教学同样如此，物理本身并不是美学，要想使物理教程从枯燥的铅字变成闪烁美的光彩的科学诗篇，关键在于我们教师平常教学中要善于发掘物理科学美，去展示其美学特征，去创设美的意境，让学生潜移默化受到物理科学美的陶冶，这就是教学的艺术。三、美的物理教学第13页，共32页，2023年，2月20日，星期六（1）从物理学家追求科学中去体现。1、从教材中挖掘出美的因素，引导学生鉴赏物理内容的美※※※美的物理教学※※※※英国物理学家布拉凯特拍摄了2万多张云室照片终于从40多万条a粒子径迹中发现有8条产生了分叉，从而证实a粒子轰击氮核后产生了新核等等。※德国天文学家开普勒不顾贫病交加夜以继日地观察天体运动，发现了天体运动三大定律；※英国物理学家焦耳把华生精力放在热功当量的实验研究上，为能量守恒定律的发现奠定了坚实的实验基础；第14页，共32页，2023年，2月20日，星期六（2）从物理概念、物理量和物理规律中去体现。※※※美的物理教学※※※①展示形式的统一性，就是美的事物在外在形式所具有的相对独立的审美特性。如：第15页，共32页，2023年，2月20日，星期六瞬时作用：F=ma力的作用效果空间的积累：W总=△EK时间的积累：I总=△P由于这三个力学规律存在内在关系的统一性，则对一道力学题，原则上都可分别通过这三种思路来解答。※※※美的物理教学※※※②展示内涵的统一性。第16页，共32页，2023年，2月20日，星期六（⒊）从对称性上去体现。※※※美的物理教学※※※事物的对称形式，会给人们以审美的愉悦。在中学物理教材中，对称美遍及整个内容，列举比较明显的几例。①空间上的对称。如：平面镜成像的镜面对称；点电荷电场分布的球面对称；②时间上的对称。如：简谐振动的周期、竖直上抛运动中的上升与下落时间；③作用与反作用的对称；④正电荷与负电荷的对称……第17页，共32页，2023年，2月20日，星期六平面镜成像的镜面对称点电荷电场分布的球面对称正电荷与负电荷的对称粒子的运动轨迹构成了一朵怒放的梅花，香气迎风而来!

※※※美的物理教学※※※第18页，共32页，2023年，2月20日，星期六※※※美的物理教学※※※第19页，共32页，2023年，2月20日，星期六（4）从研究法上去体现※※※美的物理教学※※※如：①平抛运动与电场中带电粒子的运动均可采用合成、分解法去研究；②人造卫星绕地球的运动，电场中电子绕核作圆周运动等都可用相同的研究方法；③在解题方法上，有整体法与隔离法的统一；综合法与分析法的统一等。第20页，共32页，2023年，2月20日，星期六(5)从物质自然属性体现----色、形、声三方面：三梭镜发生色散现象尽显迷人光芒一元硬币的绕射图样激光在油水中的传播路径※※※美的物理教学※※※①、“色”第21页，共32页，2023年，2月20日，星期六海市蜃景光的色散光的色散日环食※※※美的物理教学※※※第22页，共32页，2023年，2月20日，星期六②、“形”简谐振动的图象晶体外形的规则性※※※美的物理教学※※※蛇形线非晶体------溶洞奇景高贵气派第23页，共32页，2023年，2月20日，星期六天坛的声现象※※※美的物理教学※※※③、“声第24页，共32页，2023年，2月20日，星期六※※※美的物理教学※※※2、以美引趣，培养学生的审美感受能力、鉴赏能力在物理教学中，实验就是其中一种常用而有效的感受美的方法。古人云：“百闻不如一见”。物理是以实验为基础的学科，所以可以通过实验这一中介，直接作用于人的感官，调动人们的生活经验，依赖人们的科学素养，在观察和想象中让人们去感受它的美的，借助精心设计的实验，往往会使学生激起强烈的审美情趣。第25页，共32页，2023年，2月20日，星期六例如：在学习“单摆”，新教材将之放在“简谐运动的图像”之后。学生通过阅读教材，动手推导可以在理论上证明当单摆偏角θ很小时，单摆的运动是简谐运动，体验物理的逻辑美。再用沙摆装置通过实验的方法显示出一条优美的曲线，学生无不赞叹，如此漂亮的曲线，竟与理论推导如此吻合！※※※美的物理教学※※※第26页，共32页，2023年，2月20日，星期六※※※美的物理教学※※※光的干涉第27页，共32页，2023年，2月20日，星期六※※※美的物理教学※※※当然，科学美是一种抽象的理性的美，对科学美的鉴赏是需要训练和培植的。一个从未体验过科学美的人在学习科学理论和实验时，可能会觉得面临的不过是一大堆枯燥无味令人厌恶的符号、公式和机件，毫无美感可言，在物理教学中，我们应该引导学生去认识自然界的质朴的统一和谐美；认识物理学的精巧、绝妙、深刻和普适的科学美，从而培植起科学美的鉴赏能力。它不仅能够使学生更深入地认识自然界的种种奥秘，也能更深刻地体验到物理大师们那种崇尚理性、崇尚实践、崇尚美的科学境界，并从中汲取他们的思想营养，充实自己，塑造自己，在未来的自然探索中发挥创造才能。第28页，共32页，2023年，2月20日，星期六OABv带电粒子A以不同的入射速度径向射入匀强磁场的运动轨迹，可以看出轨迹的对称美，从中不难找出运动的规律。带电粒子在磁场中的运动----对称美赏析第29页，共32页，2023年，2月20日，星期六※※※美的物