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跟胖哥学物理物理之美

(2018-11-14 16:58:06)
标签:

杂谈

分类: 生活中的物理
跟胖哥学物理物理之美

       物理学所反映的是自然界丰富多彩的运动形式及规律性,它也同时展现了自然界在结构上的对称、和谐与韵律美。物理美的主要表现形式是用其具有的性质来表现的,这种表现反映了物理世界、物理学内部的规律性,这就使得这些性质之间具有相互联系,因而没有非常明显的界限,也就是说物理学美蕴涵了对称美,简单美,和谐美的统一。因此,把我物理之美,在我们尚美教学中,结合学科特点,让学生充分感受自然之美和科学之美!
       第一、 形式的美。
       这种美,来自自然的神奇,同学们在初二,我们都知道晶体结晶,其实每一种独自形状,雪花成六边形,并且草地上霜按照这种六边形构成复杂的图案,如果你仔细观察,会发现这些图像里面对人都是六边形,但是构成图像却丰富多彩而具有差异性。还有,我们物理学喜欢用模型去研究一些复杂问题,譬如图像。在物理里,我们学会s-t图像、v-t图像以及a-t图像,这些运动图像构成复杂物理问题,但是我们不仅仅能够从图像中感觉到美,更重要的使问题简单化。同时,我们几何光线中光构成世界上极端路程,它不仅仅给人类一种形式没美,同时还具有思维美。
        大家知道,自然中有很多奇妙曲线,我们 学习物理之后就知道这种曲线运动的物理本质,比如大家知道亚里士多德,他发现了他提出蛇形之美,我们学习过螺旋管,人类认识螺旋。其实历史关于螺旋,许多物理学家进行研究。著名科学家笛卡儿,根据他所研究的一簇花瓣和叶形曲线特征,列出了x^3+y^3-3axy=0的方程式,这就是现代数学中有名的“笛卡儿叶线”(或者叫“叶形线”),数学家还为它取了一个诗意的名字——茉莉花瓣曲线。,螺旋线就是其中比较特别的一类。螺旋线这个名词来源于希腊文,它的原意是“旋卷”或“缠卷”。例如,平面螺旋便是以一个固定点开始向外逐圈旋绕而形成的曲线。
        在2000多年以前,古希腊数学家阿基米德就对螺旋线进行了研究。著名数学家笛卡尔于1683年首先描述了对数螺旋线,并且列出了螺旋线的解析式。更有趣的是瑞士数学家雅谷·伯努利,在逝世前请人在他的墓碑上刻了一条蜗牛屋形——对数螺旋线,并幽默地写上“我将按着原来的样子变化后复活”的墓志铭。
        第二、 简性之美。
        有一句话,真正的美应该是极简的,而物理科学的美就在于它的简单。 但这个简单是指的物理表达形式的简单而知识内涵的丰富,是简单和丰富, 形式和内涵的对立统一。一个很简单的公式包涵着深刻的内容,一个条件很少的 理论概括了丰富的事实,这就是简单的美。 例如牛顿定律以 F=ma 的简单形式包涵了宏观世界力和运动的全部特征和表 象,这就是简单的美。爱因斯坦的质能方程 E=mc 2以极简单的形式概括了相 当深刻的物理学、哲学的原理。 当我们深入了解其内涵时,不仅为其简单的外表和深刻的内涵所震动,而且 越深入就越体会出它的美。 “自然界喜欢简单, 不爱用多余的原因夸耀自己”这是牛顿对简单美的形象 阐述,爱因斯坦的狭义相对论只有两条基本假设却建立了相对时空观,揭示了质 量和能量的统一,简单的真显示了丰富的美。
        第三、和谐性,协调、匀称称之为和谐。
物理学的形式和内容分别具有和谐性。 形式的和谐是物理概念、方程、现象的和谐,内容的和谐指出了物理规律的 矛盾性。
        物理学的发展也是在由发现和改变物理规律的不和谐性中前进的, 牛顿创立 了在宏观世界中和谐的经典力学和电磁理论, 但在迈尔克逊实验中指示了经典力 学和经典电磁理论的不和谐,导致了量子论和相对论的诞生。 和谐性还包括对称性、守恒性和有序性。 对称美是客观世界的一种典型的美态,物理学中的对称美处处可见,正、负 电子,南、北两极,平面镜成像,力矩平衡,波动性和粒子性,对称美还是探索 物理新规律的动力,发现正电子后,就引导人们去探索反物质就是一个例子;守 恒的美也是一种和谐美,物理学中的质量守恒、电量守恒、能量守恒、动量守恒 均是一种守恒的美;有序的美远超过无序的美,波动的能级轨道就是有序美的表 现。
        第四、物理科学的美还在于它是非缺陷美。
         艺术上常把“维娜斯”的雕像作为残缺美的代表, 但由于科学的美的基础是 “真”,因此物理科学的美就是一种完善的美,牛顿的经典物理学就是宏观世界 的一个完美科学,爱因斯坦说过,自然界是完善的,人类得到这个规律时间不会 太久了。
        其实,物理理论都有它的定义域,不如经典力学解决都是在惯性系下问题,离开惯性系,它就失去存在意义,同时爱因斯坦发现相对论,从而使力学发生质的飞跃。因为我们要通过一代又一代人对物理发展,体验这种探究过程中不完美带来一种缺陷之美,在完善缺陷时,物理学得到发展和进步,这才是真正科学素养。
        第五物理学中统一之美
       人类一直以来在追求宇宙中各种物质的起源,希望探求世界的本源本质。我们从地表下落的苹果,探索到外太空看不见的暗物质。从古至今,我们一直试图从统一的角度解释世界的物质基础和存在的基本规律。古时候的西方和东方都产生过朴素的唯物论,试图将万物本源归结为一种最基本的具体的事物,如‘原子’或‘气’。随着人们对这个世界认识的深入,逐渐发现了物理学规律的美妙之处。
        多样复杂的物理学世界只有统一起来才有美感。 牛顿提出了万有引力定律,可以描述宇宙中天体的运动,把地上的运动和天体的运动用数学的方式联系了起来,这也是物理学真正意义上的第一次统一。这也是天和地的统一。这种引力存在于世间万物。而事实上,微观角度来看,流体粒子间也存在这种作用的影响。库仑力的数学关系式也与万有引力类似,这或许存在某些联系。
        奥斯特实验以及电磁感应定律发现后,法拉利以惊人的直觉引进了“电力线”和“磁力线”的概念,抛弃了瞬时“超距”作用的观点;而基于“库伦定律”、“毕奥-萨伐尔定律”和“法拉第电磁感应定律”,麦克斯韦提出了电场和磁场的统一数学描述,预言了电磁波的存在,提出光是一种电磁波。这是首次把看起来表现截然不同的“电、磁、光”现象统一起来,被称为继牛顿以来物理学的第二次大统一,让物理学进行一次大的融合。
        爱因斯坦的相对论。在这个多维空间基础上提出了对称规范性、核力的统一、电弱统一甚至是强作用,弱作用和电磁作用的统一。夸克和轻子也进行了统一。还有学说认为,宇宙爆炸前为一个奇点。将构成宇宙奇点的物质视为这个世界的最基本粒子——奇子。奇子一步步构成了引力子等物质,引力子等物质相互交换能量,形成相互作用,进而构成光子等轻子。或者构成夸克等粒子。这些粒子一步步组成我们看得到的世界。这就将所有物质统一了。让人们真理有进了一步!但是,在这种真理之中,包含对世界解释统一性无不提现着思辨之美!
        作为物理学科,我们要通过我们课堂传输这种科学之美、自然之美,这些与人文科学之美既相通,又有着本质的区别,因为要求我们老师善于挖掘教材,采用丰富教学手段,让学生从自己科学探究之中,得到科学之美、思辨之美,从而达到灵魂升华目的,这就是物理学科真正具有价值学科素养!
        让我们物理课堂,也成为美化学生的阵地,让他们从中感受美,从而爱上物理这么课,为物理科学培养后备人才奠定基础。如果得不到一种愉悦体会,谁会对它感兴趣呢?!
2018年11月14日于宜昌市夷陵区吾同斋

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