物理教学与美育

                                                       李秉铎

   自然科学与文学、艺术一样，也充满美感。物理学中的一个定理，一个公式，一种新的理论都会使物理学家们迷恋和欣喜若狂。爱因斯坦称赞卢瑟福的原子模型具有“思想领域中最高的音乐神韵”，而爱因斯坦的相对论则被人们称之为物理理论中最美的“艺术品”。苏联著名教育家苏霍姆林斯基曾讲过：“我一千次的确信，没有一条富有诗意的感情的和审美的清泉，就不可能有学生全面的智力发展。” 在物理教学中结合教学内容对学生进行美的教育，对于提高学习兴趣，发展智力，培养学生全面和谐发展有着积极意义。

                    一、科学发展中的美学思想

   古希腊人认为“美是和谐与比例”，他们认为平面上最美的图形是圆，空间里最美的图形是球。圆与球有着一种绝对对称与和谐，使整体与部分显得十分协调悦目。所以天体都必然是球体，并在正圆轨道上运转。圆形也符合中国传统的审美观，它代表人的终极完满，所以结婚被称为圆房，戏剧好的结局叫大团圆。

   哥白尼在他的《天体运行论》一书中用诗的语言赞美太阳：“中央就是太阳，在这华美的宫殿里，为了能同时照亮一切，我们还能把这个发光体放在更好的位置上面吗？太阳被称为宇宙之灯，宇宙之心，宇宙的主宰，¼¼太阳好象是坐在王位上统率着围绕它转的行星家族。”“这种顺序显示出令人赞叹的对称性和轨道的运动与太阳大小的和谐，神圣的造物主的庄严作品是何等伟大啊。” 哥白尼继承了古希腊人的原理，把正圆与匀速作为自已学说的基本原理。

   开普勒在研究行星运动时，认为哥白尼学说还没有充分揭示出宇宙的数的和谐性，它还可以更简明、更美。在探寻行星运动规律中，开普勒遭到多次失败，最后终于对匀速与正圆轨道这两个传统观念发生了怀疑，他大胆假设行星沿椭圆轨道运动，速度是变化的，越接近太阳速度越快。这样便发现了行星运动的第一、第二定律。圆可以视为一种特殊的椭圆，椭圆包括了圆，因而椭圆不仅具有和谐之美，还具有多样统一之美，比圆更美。

   开普勒认为行星运转速度与太阳的距离有关，这说明行星运转周期与太阳的距离有一定的数的和谐性。经过九年艰苦研究，开普勒终于得出行星绕太阳公转的周期Ｔ和行星轨道半长轴Ｒ的关系。Ｔ^２／Ｒ^３＝恒量，即行星运动第三定律。这一定律，有时称之为和谐定律，因为开普勒认为天体是和谐的。这一定律体现了美妙的简单关系，奇妙的“２”与“３”是如此简洁，优美，揭示了宇宙的奥秘。据说开普勒在发现这一自然规律时，受到他的家乡巴伐利亚民歌《和谐曲》的启示，所以开普勒将他的著作题为《自然界的和谐》。

   对物理教材中科学发现的美学思想进行适当介绍，对于增强审美意识，提高学习兴趣是大有益处的。

                        二、物理常数之美

   中学物理中的常数，有的标志物质的某些特性，如物质的密度、比热、导体的电阻率、电子电荷ｅ等；还有一些常数，如万有引力常数、普朗克常数、普适气体恒量，阿伏伽德罗常数等，它们在物理定律中体现着两个或两个以上物理量之间相互变化的定量联系，如万有引力常数Ｇ，不管是地上的物体或天上的物体，小如电子、质子，大如星体，它们之间的万有引力都要用这一常数来计算，这是多么奇妙的神秘。这些在物理问题的讨论中，始终保持不变的常数，显示了无穷丰富的自然界中的统一和和谐。

   物理常数的提出在科学发展中起了显著的作用。如不变的光速ｃ对于狭义相对论的提出，普朗克常数ｈ对于量子理论的发展都起了极大的作用。所以有的常数可以作为物理学史某一发展阶段的标志，光速ｃ可以作为麦克斯韦电动力学发展阶段的标志，普朗克常数ｈ可以作为量子力学发展阶段的标志。许多物理学家正是从这些常数出发去探索整个自然界的和谐和统一。

                   三、物理学中的对称美

   对称在艺术、生物、数学、物理等学科中有不同的表现形式。对称性会带来平衡、稳定，因而感受到一种符合规律的愉悦，所以对称性是美的事物的表现形式之一。

   在物理教学中接触到的对称性比比比皆是，如平面镜成像，物体和它的像对称；在电学中，电学和磁场对称；光的波粒二象性理论，波和粒子的对称；微观粒子和它的反粒子的对称性；在竖直上抛物体运动中，上升和下落运动中，上升和下落运动的对称；物体相互作用，作用力和反作用力互相对称，等等。这些物理现象和理论的对称性充满美的色彩，给人以启迪，给人以快乐，体现了自然规律的一种内在美。

   对称在物理学的发展中起了重要的作用，古希腊人对于对称很重视，他们觉得世界的一切规律都是从对称来的。后来爱因斯坦对于对称也很注意，当德布罗意提出物质波理论时，爱因斯坦根据光的波粒二象性认为物质微粒也应具有二象性，因而立即对这种新理论投了赞成票，促进了物质波理论的发展。法拉第从电场和磁场的对称性出发，认识到既然电流有磁效应，与之对称，磁也能产生电，从而发现了电磁感应现象。狄拉克在提出著名的空穴理论后，从对称性考虑，从理论上预言了电子的反粒子——正电子的存在。

   这种对称性的美能使学生感到惊奇和欢乐，这种自然之美激起的喜悦能激励学生对自然规律的探求。

                             四、守恒美

   中学物理中的守恒定律有动量守恒、机械能守恒、能的转化和守恒定律、质量守恒、电荷守恒。这些守恒说明了自然界的各种现象是无限循环的，从而显示出自然界的和谐与统一。从守恒定律这条线索，可以从纷繁复杂的自然现象中洞悉自然的内在美，即显示出一种守恒美。

   如能的转化和守恒定律，这一定律被恩格斯称之为“伟大的运动基本定律”，认为是十九世纪自然科学的三大发现之一。从力学的发展开始，伽利略在他的斜面落体实验中观察到，从高处下落的物体，在最低处获得的速度有可能使它跳回到原来的高度。笛卡尔则提出宇宙中运动的量守恒。惠更斯在弹性碰撞的研究中发现动能是守恒的。十九世纪由于力学、电磁学、生物学、化学的发展及蒸汽机的改进，使物理学家感到自然界存在一种统一的“力”，从而创立了“能”的概念，在这过程中迈尔、焦耳、亥姆霍茨从不同的方面，用各自的方式提出了能的转化和守恒定律。这一定律的发现，使各种形式的能都统一起来了。蒙胧的大自然被一幅能量统一的图案，显得清楚明了，简单易懂。

讲清这些守恒定律的意义及历史，会使学生感到是一种美的享受。

                      五、科学家的人生美

   科学史上一些科学家献身科学的精神，体现了一种光辉的人生美。

   法拉第是有史以来最伟大的科学家之一，但他从不图虚荣。他成名之后，世界各国赠给他的各种学位头衔多达９４个，但他却把所有的荣誉和奖章都收藏起来，连最亲近的朋友都未见过。当有人问他喜不喜欢这些荣誉，他说；“我从来没有为追求这些荣誉而工作。” 他完全可以要求死后安葬在威斯敏特大教堂中和伟大的牛顿安葬在一起，但他没有这样做。他死后安葬在海洛特公墓，墓碑上按他的要求只刻着他的姓名及生卒年月日。

   德国科学家伦琴在发现Ｘ射线后，当柏林通用电气协会建议以高价换取他的新发现的专利权时，他坚决拒绝了这项建议。伦琴得到的诺贝尔奖金也遵照他的遗嘱，赠送给他任教的维伦次堡大学，而他自已晚年由于通货膨胀则过着很艰难的生活，连肉也吃不上。

   我们在教学中结合教学内容给学生讲解一些这方面的事例，在课外活动中举行专题的科学家故事会。这些对学生产生了潜移默化的作用。有的学生以后参加了工作，有的当了教师，他们说：当时给他们讲的科学家的故事，至今记忆犹新。

   事实证明，物理教学并不只是一些枯燥的公式和定理，而是蕴藏着丰富的内在美。这种美要求我们不断挖掘，使其展现出光彩夺目的美丽色彩。

                         (原载《物理教学探讨》１９９０年第４期)