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引用 牛顿的美学思想与科学贡献  

2010-06-30 18:46:38|  分类: 资料  |  标签: |举报 |字号 订阅

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引用

清风飘舞牛顿的美学思想与科学贡献

 

                        作者:司德平 

      牛顿是近代自然科学之泰斗,完成了自然 科学的第一次大综合,建立了影响深远的经典力学体系,在科学史上具有划时代的意义.其巨大影响可用英国诗人蒲柏(A.PoPe,1688- 1744)的名言来描述:"自然与自然规律/为黑 暗隐蔽,/上帝说,让牛顿来!/一发遂臻光明." 不过,从牛顿的《自然哲学之数学原理》(以下 简称《原理》)可以看出,牛顿对自然科学的巨大贡献,植根于他的简单与对称、和谐与统一 的美学思想.本文就分析牛顿的美学思想对其科学贡献的巨大影响.
1 简单与对称

牛顿在《原理》第三编的"哲学中的推法则"开头写道:"除那些真实而已足够说明其现象者外,不必去寻求自然界事物的其他原因";"自然界不做无用之事,只要少做一点就成了,做多了却是无用;因为自然界喜欢简单化,而不爱用什么多余的原因以夸耀自己".这充分体现了牛顿的简单性的美学思想.

1.1物体的科学抽象--质点模型

面对着纷坛复杂的自然界,当研究以物体的空间位置的变化为基本特征的机械运动时,怎样才能把握住运动物体的基本特征,从而把物体运动的普遍规律用最直接、最简单的方式表达出来,这是一个既依赖于经验事实,又取决于思维创造的问题.牛顿从简单性出发,把客观物体科学抽象?quot;质点".他把质点设想为不计形状、大小、空间方位和一切内部性质的物体,而只留下物体的质量、惯性和可移动性等一些基本届性.于是,物体的客观实在就被模拟化.在牛顿的经典力学体系中,自然界的物理实在是由质点、空间和力(质点间的相互作用)等概念来表达的.这样,牛顿找到了对自然界统一性的简化的科学表述.无论是地上物体还是巨大的天体,均可以用一个不计几何大小,只有质量的"质点"来表示.物体之间的空间位置关系就变成了简单的纯几何关系,即牛顿的经典力学体系被简化为一个无限的质点系,物体之间的空间关系顿然清晰可辨;物体的运动被 看作质点在空间中的位置变动,这充分显 示了牛顿删繁就简的简单性的美学思想.

1.2简单美、数学美与逻辑美的结 晶--《原理》

简单性的美学思想,不仅指导着牛顿对 自然界的探索,也指引着他对《原理》自身的建构.牛顿只从四条法则、八个原始定 义、三条定律出发,便演绎出一个完整优美的经典力学体系.另外,在牛顿的《原理》 中,数学美与逻辑美相得益彰.凡读过《原 理》的人,无不为他严谨而精巧的数学论证 和简单优美的数学方程所倾倒.当你从牛顿的严密推证中得知,整个宇宙的秩序竟然是由万有引力定律的简单公式所统制地,在惊诧之余必定会对公式的简单而深远的统一美赞口不绝.牛顿不仅仅把经验 事实和所定义的概念翻译成数学语言,也不限于把概念之间的关系或定律表达为一定的数学关系,而是从物理现象中寻找宇宙结构的"数学和谐",创造出反映自然界因果性的完美的表达形式和严密的数学结构.著名科学史家贝尔纳说过:"牛顿的工作,本身就是一个世纪的实验和计算的精华,提供了一种可靠的方法,让后代的科学家可以放心使用.同时,它再度向科学家和非科学家同样保证,宇宙是由简单的数学定律所调节的……就数学而论,只可以拿欧几里得的《几何原本》来与它(《原理》) 相比".《原理》的出现,标志着牛顿经典力学体系的建立.

1.3大自然对称美的诗篇--七色光谱

"对称是美的化身",对称性的美学思 想曾深刻影响了牛顿对光与颜色的研究.

牛顿关于光与颜色的实验研究是在 1665-1675年间进行的.牛顿在最初的白光分光实验里看见的是五种颜色:红、黄、绿、蓝、紫.牛顿接着对光谱带中五种颜色的比例精细地进行了研究发现,尽管颜色之间的分界线"缩成一条线",但每种颜色最明亮的地方并不正好在这种颜色的正中央.各种颜色中最亮部分互相排挤,压向光谱带中央,以至在光谱带两侧,黄色与红色之间的间隔比绿色与黄色之间的间隔大了约l/3.同样,蓝色与紫色之间的间隔比绿色与蓝色之间的间隔也大了约1/3.因 此,要使分划开的光谱图像的各个成分彼此匀称,合适的做法是承认在五种主要的颜色之外还有两种颜色,即红色与黄色之间的橙色,以及蓝色与紫色之间的靛色.这样处理之后,光谱带两端的颜色就不会由于太宽而显得多余,每种颜色都与绿色的份量匀称一致.牛顿认为,七种颜色"更 美,更匀称",而且比原先的五种颜色"更具有纯洁的对称性".牛顿为什么不把绿色与黄色的分界线也认定为一种独立的颜色? 为什么不把颜色的数目定为八种?原来,牛顿把光与音乐相类比,乐音有七个音阶,光谱有七种颜色.牛顿说:"在把颜色散开以后,我再次作了观察,发现每种颜色正好出现在它相应的位置上,匀称地排成分列的一串,仿佛构成声乐中的一个个音阶".

可见,牛顿从白光分光实验得到色散光谱--一条连续分布的颜色带.他从感觉出发认定光谱带有五种颜色,对称性的 ·美学思想使牛顿给五色光谱带添上两种颜色.他认为七色光谱"更优美、更匀称", "有更精巧的对称性".

2 和谐与统一

2.1"美在于和谐,和谐在于对立统一".(赫 拉克利特语)

牛顿在《原理》中指出:"对于自然界中同一类结果,必须尽可能归之于同一种原?quot;."物体的属性,凡既不能增强也不能减弱者,又为我们实验所能及的范围内的一切物体所具有者,就应视为所有物体的普遍属性".这充分体现了牛顿和谐与统一的美学思想. 2.1质点间的相互作用--力 实验观测使牛顿清楚地认识到,自然界之所以成为自然界,是因为世界万物不是孤立的,它们都处于相互影响、相互作用之中,任何物体运动状态的改变都是受到其他物体作用的结果.他认识到这种相互作用的普遍性,并把这一种隐藏于千差万别的各种运动形态背后的统一的基本原因定义为"力".于是,牛顿用"力"把纷坛复杂的机械运动统一起来,最终为人类描绘出第一幅统一的自然图景,并使人们认识到自然界内在的合谐与统一是由各种自然力编织而成的美丽花环.

2.2质点运动的规律--运动三定律和万有引力定律

既然自然界的实在性用"质点"统一了起来,并把质点置于空间和时间之中.而质点间的相互作用又由"力"统一起来,那么质点的运动符合什么统一的规律呢?牛顿正是在和谐与统一的美学思想指引下, 取得了他在力学研究中最辉煌的成就:建立了运动三定律和万有引力定律.运动三定律是牛顿以实验观测为基础,从众多杂乱的物理现象中理出和谐,从而对宏观低速物体作出的统一描述或解释.爱因斯坦指出?quot;正是这种运动定律和引力定律的结合构成了一个奇妙的思想结构,通过这种结构,就有可能根据在一特定瞬间所得到的体系的状态,计算出它在过去和未来的状态,只要一切事件只限于在引力的影响下发生的".这样,正是牛顿将哥白尼的观点、开普勒定律、伽利略的研究成果融汇一体,总结出了万有引力定律,并将天上和地上的机械运动完美地统一了起来,才找到了使行星沿轨道运动的"真实而足够"的同一种原因--个万有引力,从而给"17世纪两大问题"之一"什么力使行星保持在轨道上运动",作出了简单而圆满的答案.另外,牛顿终生所信奉的和谐与比例的统一原理,还和他的音乐素养息息相关.并深受音乐艺术的启迪.因?quot;音乐形象"所追求的是音阶的对称美,正是"音乐形象"所赋予牛顿的寻求宇宙布局和谐与比例合度的科学联想力,致使牛顿把行星绕日,月球绕地,物体落地等表面上毫不相干的现象联系起来,并运用精确的数学方法对其作了定量的描述,从而创立了揭示各种物体在各自的轨道上,按一定的规律,统一和谐运 动的万有引力定律.

2.3真、善、美的统一

英国诗人济慈 (J.Keatsl795- 1821)在《希腊古瓮曲》中曾以诗歌的形式提出了"美就是真,真就是美"的命题.著 名物理学家爱因斯坦在分析自己科学感受时说:"照亮我的道路,并不断给我新的勇气去愉快地正视生活的理想,是善,是 美和真".牛顿经典力学的科学美的最大特点是真、善、美的统一.如,牛顿关于引 力系数G是一个常数的预言和证实;哈雷慧星的如期出现;天王星和海王星的相继发现;以及牛顿经典力学对此后工业革命的巨大推动和对科学发展的巨大贡献,都是对牛顿经典力学体系"真"和"善"的历史见证.证明了它是17世纪真、善、美统一的美学思想的结晶.

总之,牛顿的巨大科学贡献离不开他 的美学思想的指导.牛顿经典力学是科学美的典范.学习牛顿经典力学,我们能 感受到理论美、公式美、数学美、逻辑美和实验美.正如科学史家丹皮尔评论所言?quot;牛顿赋予世界画面惊人的秩序与和谐所给我们美感上的满足,超过凭藉任何天真 的常识和亚里士多德派范畴的谬误概念或诗人们的神秘想象所见到的、万花筒式混乱的世界".这是对牛顿经典力学所蕴含的美学思想及其美学价值恰如其份的评价.
一部绝好的美育教材,都能激起学生心灵的震动。激发学生的爱美本性,像科学家那样,把追随真、善、美作为正视生活的理想,扬起生命的风帆,去追求美,表现美,创造美。通过物理学美的内容和教育方法,陶冶学生爱美的情操,逐步净化他们的心灵,引导他们做一个有道德的、崇高的人,身心健康全面发展的人。
资料:捍卫真理的布鲁诺
    布鲁诺(1548—1600)是文艺复兴时期意大利天文学家、哲学家。1548年诞生于意大利那不勒斯附近的诺拉城的一个普通农民家庭。
布鲁诺家境贫寒,10岁就进了修道院,15岁成为修道士。1576年28岁的布鲁诺毅然扔掉袈裟,逃往罗马、威尼斯等地。因为遭到教廷通缉,不得不在1578年离开意大利,先后流亡瑞士、法国、英国、捷克斯洛伐克、澳地利、匈牙利等国,长达13年之久。布鲁诺每到一个地方,都积极批判宗教神学,热情宣传哥白尼的学说,反对托勒密的地心说。1583年,布鲁诺来到伦敦,在这里度过了两年多比较安静的时期,他的哲学著作《论原因、本原和统一》以及《论无限的宇宙和多世界》就是在伦敦写作并于1584年出版的。
1592年5月23日,布鲁诺终于在意大利的威尼斯因被人出卖而被捕,布鲁诺在监狱里,宗教裁判所对他威胁利诱,软硬兼施,妄图迫使他就范,公开声明改变自己的观点。但是布鲁诺没有屈服。他自勉说:“如果愚昧无知者的法庭吓唬你,企图消灭你的珍贵的事业,你一定要坚贞不屈,不要失掉勇气,甚至也不要退步。”他始终坚信,真理一定会战胜邪恶。有一次审讯的时候,人面兽心的主教规劝布鲁诺:“只要你公开表示认罪和忏悔,不但可以免除对你的火刑,还可以在罗马教廷中给你安排一个令人羡慕的高位。”布鲁诺嗤之以鼻,大声呼喊:“收起你们这一套吧!我没有罪,也根本没有做过需要忏悔的事情!”主教露出了凶相,狂怒地吼道:“你坚持异端邪说,执迷不悟,等待你的就是火刑!”布鲁诺镇定自若地说:“在真理面前,我半步也不会退让!”罗马教廷把布鲁诺看作顽固不化的魔鬼,决定对他处以极刑。当布鲁诺听完判决以后,冷冷地刽子手们说:“你们宣读判词,比我听到判词还要恐惧!”
在长达七年的审讯之中,布鲁诺始终没有屈服。1600年2月17日,布鲁诺因坚持真理而献出了自己的生命。
(二)物理知识方面
物质世界的真与美从来都是统一的,物理学家往往借助美来认识世界、整理事实,以便从中得出普遍的规律或结论。有学者认为:“一个科学理论成就的大小,事实上就是它的美学价值的大小。”美学因素不仅仅存在于物理学理论创立的原动力之中,还渗透于其理论体系的构思与表达之中。
杨振宁在《美和理论物理》一文中提出,物理学具有“物理现象之美”,“理论描述之美”、“理论结构之美”。也有不少物理学家认为,物理学的美学特征主要表现为“多样统一美”、“和谐奇异美”、“简洁明快美”……对物理学的种种美学评估,只是摄入角度或提法上的不同,本质上都是揭示科学真与科学美的辩证关系。科学美是科学对象美与科学表现美的统一。物理的美学特征归纳起来大致有以下七个方面:
1、多样性的统一。千篇一律和杂乱无章的东西都不能给人以美感,只有能把千姿百态的物理现象同统一的理论加以概括和解释,才能给人以美感。物理学庞大的知识体系,既遵循各自内在的规律,又相互联系,构成一个统一体。牛顿力学把地上的和天上的运动统一起来,麦克斯韦电磁理论把电现象、磁现象和光现象统一起来,粒子的波粒二象性概念把粒子运动和波动统一起来,原子、分子结构理论把宇宙财物统一本源,能量概念沟通了力热、电、磁、光、原子等领域,质能方程E=mc2把质量和能量、实物和场统一起来。一部物理学史实际上也就是由分化到统一,再分化再统一的历史,因此追求物理理论的统一性,也就成为科学大师们坚定不移的信念和始终不渝的目标。正如爱因斯坦所说“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉”。这些例子无不显示着多样性的统一美。统一性:客观世界是统一的,作为描述和揭示客观世界的现象和规律的科学也是统一的。
2、简单性。科学的简单性从古代的自然哲学家及近代、现代的科学家永不休止的追求中得到了充分的体现的质朴美。牛顿说:“自然界喜欢简单化,而不爱用什么多余原因夸耀自己。”如果物理理论的表达形式十分复杂,知识内涵十分简单,都不能给人以美感。一个很简单的公式包涵极其深刻的内容,或者一个理论的推论却很多,这种简单性才能给人以美感。简单性和统一性的内涵是共通的。统一性是指内容美。简单性则是指表达形式美。
  物质世界的构成和运动,客观地展现出“简单”的风采:一切物质都由最简单的粒子成;光沿着最简单的直线传播;行星沿着简单的几何曲线──圆、椭圆、抛物线或双曲线运动;等等。
  物理学家对宇宙呈现的简单性具有强烈的信念,他们采用“宁可寻求简单”的逻辑与手法来研究物质世界。从天体到基本粒子,物质运动纷繁复杂,但物理学家巧妙地从复杂的真实世界中,把研究对象一一分割,抽象出最简单的物理模型,诸如质点、理想弹簧振子、理想单摆、理想气体、点电荷、电力线、理想变压器、光线、薄透镜等等,以这些优美的理想模型概括出物质运动的基本规律,变复杂为简单,既简洁又合理,既抽象又形象,给师生带来研究物质世界美享受。物理量的矢量表示及其运算方法,给人以简单明快之美;开普勒三定律、牛顿力学体系、麦克斯韦方程组、爱因斯坦的相对论都体现简单性的质朴美。以简单的数学形式概括了极其深刻而丰富的内容,当人们的理解愈深刻时,就愈能深刻感到它们的美,这种美既在内容上具有多样性的统一美,又在形式上具有简单性的美。
  物理理论体系、规律、公式表达上体现在逻辑上的简单美,更令人赞叹。作为支撑经典物理大厦的牛顿运动定律,在宏观低速领域,实实在在地展现其简洁和完美;而作为现代物理大厦支柱的相对论和量子力学,又从更广阔领域描绘了一幅极其简洁的物质组构和运动的生动图象。
至于采用数学工具,以极其简洁而严谨的函数关系或明快而直观的数学图线来描绘错综复杂的物理现象,那在整个物理学的研究中就比比皆是了。
3、和谐性。“和谐”是美学的一个重要法则。古希腊毕达哥拉斯学派认为,宇宙与数之间之所以美,是因为它们是和谐的。而物理学家认为,物质世界自身及物理理论的“统一”“对应”乃是宇宙和谐的反映。和谐性是指配合适当、协调、匀称的意思。物理学的和谐包括形式和内容两方面。形式的和谐指具有均匀,周期,匹配等性质的现象,如匀速运动,简谐运动,共振等。内容跟物理理论必须是协调以及与其它学科知识的相容性、一致性、自洽的,不能互相矛盾。物理理论各部分之间的和谐,它们的形式的对称,它们的巧妙平衡,无疑能给人以和谐的美感。
4、对称和守恒。在美学中,“对称”是形式美的表现,指整体各个组成部分之间的相称或对应,如空间上的和谐布局,时间上的节律和协。守恒是指在事物的状态发展变化的过程式中构成某一些量的每一部分都必须在发生变化,而其总和始终保持不变。对称和守恒都是在科学研究的过程中,人们对自然的本质的一种认识,最初人们没有意识到对称和守恒的关系,而是将其作为独立的两个方面来进行思考和研究,直到20世纪头20年,在近代物理研究的过程中,数学家诺塞从理论上证明了守恒与对称的内在联系,即对于每一个守恒就必定有一种与之相应的对称性;同时,对于每一种对称性,也必有一个与之对应的守恒量。
①       镜像对称与宇称守恒
镜像对称即通常所说的“左右对称”,也称为宇称。从数学上讲,任何一个偶函数的图
象在经过x到-x的坐标变换后,都满足f(x)=f(-x),都具有镜像对称性,在量子力学中也称为偶对称。例:在力学中做验证牛顿第二定律的实验中,只要其它条件不变,滑块无论是从左向右下滑还是从右向左下滑,都可以得出同样的结论。
②         空间平移的对称与动量守恒
平移对称性是指将物体从一个地方平移到另一个地方,除了它的空间位置发生了变化
外,它的性质、状态等没有发生变化。例:对于相互作用的A、B两个质点,如果具有空间平移对称性,则在某一过程中始终具有FA=-FB,又由于它们相互作用的时间相等,因此A、B两物体所受到的冲量IA=-IB,若系统不受外力作用,则两物体动量变化ΔPA=-ΔPB,该系统动量守恒。
③         转动对称性与角动量守恒
圆具有绕中心旋转任意角的转动对称性,而正方形具有旋转90°正整数倍的转动对称性,矩形具有旋转180°正整数倍的转动对称性等等都是转动对称。由于空间的转动对称性,在合外力矩为零的条件下,刚体转动到任何方向角动量不会改变,因此才能得出物体系的角动量守恒。
④         时间对称性与能量守恒
对于时间的原点不同,物理现象和物理定律的形式不变,这就是所谓时间的平移的对称性。一个静止的物体对于任何时间间隔Δt的时间平移表现出不变性。如一个周期性变化的体系(单摆)对于周期整数倍的时间平移具有不变性。
如果物理定律随时间变化,例如重力法则随时间变化,那么利用重力随时间的可变性,就可以制造出永动机。我们可以在重力变弱时把水提升到蓄水池中去,所需做的功较少,在重力变强时把蓄水池中的水放出来得用水发电,释放出较多的能量。这是一架不折不扣的能创造出能量的永动机,但是它与能量守恒相违背,因为能量的消耗和释放总是守恒的。但是如果重力法则随时间而改变,时间平移对称性破坏,就如前面所想的那样,永动机却是可以实现的,但这种设想与物理规律的时间平移对称性是相违背的,正因为物理规律都具有时间平移对称性,所以能量守恒也是成立的。
⑤电荷对称和守恒
基本粒子有三个重要的特性,即自旋、电荷、对称。电荷守恒定律在电荷共轭变换(粒子、反粒子的变换)下仍然成立,也就是说电荷守恒定律对变换具有对称性。
5、奇异性。奇异与和谐的配置也是美的体现。不和谐在和谐的背景下才给人以美感。古人认为,圆是最和谐的,于是,托勒攻和哥白尼就用圆形轨道建立起一幅和谐的宇宙图景,开普勒用实验观察,发现了行星运动的椭圆轨道理论。很显然,椭圆是圆的奇异,圆只是椭圆的特例,开普勒的行星运动定律体现了和谐奇异美,爱因斯坦的相对论又解释了行星椭圆轨道还会发生运动。运动的椭圆又是圆的奇异,但它逼真地体现了物理规律的动态之美。反物质、物质波的概念,正反粒子相撞而湮灭的观念等等,都能令人体验到奇异之美。钱德拉赛卡根据广义相对论原理预言:大质量的晚期恒星并不停留在白矮星阶段,而必将在强大引力和爆发压力的作用下进一步塌缩,成为中子星,甚至成为黑洞。这一奇异的思想曾被权威嘲笑为“糟透了”,然而,脉冲星和X射线天体的发现却使那个过分离奇的思想成了谐调而美妙的、呈现出“调和中的奇异”的科学真理。预言令人惊讶,因为这就是奇异。后来发现,广义相对论对求解宇宙的极早期仍然有效,这就更令人大吃一惊了。这就是奇异的力量。 物理美的奇异范畴不仅在于调和中的奇异,而且还在于谐调的破缺。谐调的破缺主要表现为非对称性。和谐往往意味着一种动态平衡,而奇异则意味着原有平衡的打破,向新的平衡过渡,显示出动态性。而旧平衡的打破就与非对称有关。杨振宁、李政道就是确定了宇称这种左右对称在某种局部条件下的不存在,在此之后则建立了CP联合守恒。难怪现代物理学把“对称加破缺”看作是一条重要的美学原则,这正体现了和谐奇异美的思想。
6、有序性。物理现象和规律,在排列上由杂乱到整齐,由无序到有序,而且按照一定规律进行,这就是能给人以美感的有序性。
7、功能性。物理理论的应用越广泛,精确度越高,预见的现象被后来证实的越多,这种征服自然的巨大功能也会使人产生美感。当然,美感本身是超功利的,它是在满足功利需要的基础上引起的对人类智慧的潜能和创造力的赞美。
我们应该注意的是:物理学的目的是求真,上述八个美学要素的反面,例如对称中的破缺,不守恒,无序性等在自然界中也是常见的,物理学也要研究它们的规律,它们的美学价值也要挖掘。  
三、物理教学中美育的设计
物理教育中的美育,并不是要求物理教师把物理课上成美育课,而是要求物理教师注重美育的渗透。在物理教育的各个环节中,教师应适时地展示研究对象和物理现象的美,发掘物理思想,理论框架,物理规律,表述方法的美。不光追求教育形式的美,更应刻意追求教育思想内在的美,真正达到寓美育于知识教育之中。物理教育中的美育是多渠道多方面的。当教师真正领悟了物理学的美,并将物理学作为科学诗来教学,那么,物理教师才能道出物理学如诗的意境,审美感染力才会强烈地影响学生,并自然而然地开凿出条条美育渠道。
1、      使学生了解科学家们崇高美德
物理学家的科学实践具有广泛的社会性,其理性思维的习惯对社会关系的评价与判断具有杠杆作用。因此一位杰出的物理学家常常是集真、善、美于一身的楷模。1920年,一位美国记者访问了居里夫人,记者问:“如果把世界上所有的东西让你选择,你最愿意要什么?”居里夫人稍加思索后说:“我很想有一克镭来进行科学研究。”须知,这时居里夫人的经济境遇是较为潦倒的,然而她却把造福于人类的科学研究看着高于一切。开普勒早期对恒星的观察与研究曾得到天文学家第谷、布拿赫的指导。可是开普勒由于受人挑拨,以怨报恩,离开了布拉赫。但布拉赫并不记私怨,在病危期间仍派人把开普勒找来,把自己长期积累的观测记录和研究心得交给开普勒,这些资料对开普勒提出“行星运动三定律”起了很大作用。
实例:在学习《天然放射现象》这一节的时候,必然会提到镭。在这里,我除了完成课本的上教学内容以外,还设计了另外另外一个问题,镭的发现给人类带来了怎样的影响。让学生能理解科学一把双刃剑,有有利的一面,也有不利的一面,但重要的是作为主宰地球的人类本身应具有高度的责任感,高尚的品质和崇高的道德规范,不能利用科学来危害社会。因此,我给学生介绍了以下一段小资料。
资料:站在保卫世界和平最前列的居里夫人
科学的发现,往往是一把双刃的剑。科学技术的应用在给人类带来巨大利益的同时,也常带来一系列的副作用,如环境污染、生态平衡破坏等,甚至给人类带来灾难。象炸药、原子弹的发明就是这样。然而正直的科学家总是站在维护人类幸福不受侵犯的正义立场上,坚决反对和阻止科学技术的滥用,反对战争,维护和平。
在人类征服原子能的艰苦历程中,居里夫妇首先做出了杰出的贡献。1905年当皮埃尔?居里在斯德歌尔摩补做传统的诺贝尔报告时,尖锐地提出:对自然奥秘的洞察是否总是造福于人类,人类是否已经成熟到使被发现的自然规律为自己服务?他在结束自己报告的时候警告说:“镭在罪犯的手里可能成为非常危险的东西”。他特别举出诺贝尔的发明为例子,说明诺贝尔发现的新型炸药确实能够减轻人类大量的技术工作;然而,它也许会成为“那些身居高位的,把人民陷入战争之中的罪犯们手中的可怕的破坏性工具。”
居里夫人则以身作则,亲自投入了反对非正义战争、维护世界和平的伟大斗争中去。第一次世界大战期间,她用私人捐款装备了一辆X光救护车,自己当司机,冒着炮火开往前线,做救护工作。在她的组织下,设立了220多处活动的和固定的X光设备,培训了100多位X光技师。在大战期间,她作一名“战士”、科学家、医生,组织和抢救了约一百万伤员,为反对帝国主义战争做出了杰出贡献。
他们的女儿伊伦?居里和女婿弗列德里克?约里奥*,不仅继承了他们的科学事业,而且更象他们一样热爱和平和真理。他们决不仅仅是实验室中的科学家,更是为人类进步事业而斗争的杰出勇士。伊伦?居里表示,如果能给社会进一步带来利益的话,她准备变物理实验室为政治活动的场所。约里奥则作为反法西斯主义的战士和法国共产党员,从1942起就参加了反抗希特勒占领者的斗争。战后,他又多年作为世界和平理事会的主席站在世界和平运动的前列。
2、使学生了解科学家对物理美的追求
近代物理学是随着文艺复兴运动的兴起而兴起的。哥白尼、开普勒、伽利略、笛卡儿、牛顿这些近代科学舞台上的巨匠都不同程度地接受了古希腊的科学美学思想,都相信自然界是按照和谐优美的数学方式设计的,自然界是合理的,简单的和有秩序的。开普勒用他的行星三定律论述了天体的运动是如此惊人的简单与和谐。开普勒在他自述18年艰苦奋斗的动力时说:我一见到哥白尼的《天体运动论》就说:“我从灵魂的最深处证明它是真的,我以难以相信的欢乐心情去欣赏它的美”。开普勒深信世界是完美的数学原则创造的,天体运动一定有着内在的数学和谐。美的追求给他以无穷的力量,使其18年的遨游于大量观测资料的枯燥数据海洋之中,不觉苦,反而乐。狄拉克由于对物理世界对称美、科学美的追求而导致正电子和磁单极的大胆假设。
现代物理学之美更为突出。由于物理学进入微观世界后,更需要发挥想象和利用比喻以借助形象思维来理解高度抽象的理论,如原子核物理、量子力学、相对论等。因此近代物理学的理论不但在内容上更接近真理,而且形式美也比经典物理更为突出。例如物理学家追求数学形式上的统一,物理实质的统一,奇性的探求对称分析等。
3、使学生感受物理规律之美
前面第三部分已探讨了中学物理美的特点:如力学中的动能定理和动量定理,其表述都具有过程量等于状态量之增量的对称形式。晶体优美的天然外观,对称的物理属性与其内部严整点阵排列的对应。理想气体的过程方程(等容、等压、等温、绝热等过程),电路 和磁路定理诗一般的对仗工整,电磁场中电力线与磁力线分布的和谐与多姿等等。在物理教学中给学生展现这些认识的成果,发掘并引导学生感受其美学的内涵与结构,指导他们在物理学习中进行美的想象、评价与实践,则物理学的美育价值将得到发挥,学生美的情感将得到熏陶。
实例1(时间平移对称性):杂技演员把A、B、C、D共4只球依次向上抛出,如果要使抛出一球后立刻接到另一球,使空中总有3只,手中总有一只,每只球上升高度为1.25m(忽略空气阻力),则每只球在手中停留时间为多少?空中相遇高度为多少?
分析与解:由于时间平移对称性,以及上升与下落过程的抛A接D之时,B、C球刚好在空中相遇。设在手中停留时间为tDA,从A球位置运动到B球位置的时间为tAD,则由于时间的均匀性有:tAB=tBC=tCD=tDA
而竖直上抛的总时间为:t= tAB+tBC+tCD=
因此在手中停留的时间tDA=t/3=0.33s
相遇高度hAB=1.25-  =1.11m
   实例2:(镜像对称)两个质量均为m的物体,被一劲度系数为k的轻弹簧所固定,放在光滑水平面上,今施力于两个物体使弹簧压缩,然后无初速度释放,两个物体发生振动,求物体的振动周期?
分析与求解:因题中给出的整个体系及受力情况均满足镜像对称,显然弹簧的中点始终静止,考虑质量为m的一个物体在半根弹簧下的简谐振动,由于弹簧串联时满足:
 
而k1=k2=2k,故 
该周期即所求物体的振动周期。
 点评:通过以上两例关于对称性问题的思考,可以拓宽思路,获得巧妙简洁的解题方法。在对称当中除了以上的时间平移对称和镜像对称以外还有中心对称、结构对称、转动对称、置换对称、时间反演对称等等,在解答物理题中运用它们既使问题简单化,又感到了物理的美无处不在。
4、教师应让学生通过科学探究发现美
新课程标准中强调:基础教育以科学探究为核心,强调了科学探究在学生发展过程中的
重要地位。探究式教学是让学生在探究活动中,通过经历与科学工作者进行科学探究相似的过程,学习知识与技能,体验科学探究的乐趣。在科学探究中学生也能理解概念和创设情境,得出规律性问题,从而体现出一定的形式美。
实例:关于“摩擦力”中动摩擦因数的介绍多是直接介绍动摩擦因数反映接触面本身的一种物理性质的物理,与相互接触的两个物体的材料有关,还跟接触面的粗糙程度有关,与接触面积无关,与物体间是否发生运动以及运动速度无关。这种结构化的、去情境性的知识只具有迁移的价值,这种灌输式的教学对学生良好认知结构的形成以及情感体验的产生不具备任何实际意义。教师如果将“动摩擦因数”这一知识点的学习设计成一个探究性学习的课题,通过学生自已制定实验原理和方法,自行设计探讨动摩擦因数与哪些因数有关的实验方案,从而使学生亲身体验设计实验方案、控制实验条件、观察记录实验、分析解释实验数据等过程和方法,学会与人合作。使学生在获得知识的同时,更能获取科学的态度、方法和积极的情感体验。学生通过自己的探究得出影响动摩擦因数因素,学生不但掌握了知识,还体验到了科学探究的乐趣,而且最关键的是对物理知识源于生活的这种现实美有了更为深刻的体会。
5、创造物理教学的形象美和环境美
(1)物理教学中教师创造自身美的形象。
一是语言美。语言美应体现在语言精炼与语气抑扬顿挫,幽默的语言能够产生学习兴趣,因为兴趣是产生学习动力的主要因素。如“热值”一节,首先引入新课时用“煤顶烧不顶烧”这句俗语,通俗易懂,较容易感悟其热值的内涵。
    二是板书美。板书美体现在粉笔字上的大方、漂亮,板面直观与形象。板面应注重结构严谨、清晰、概括、条理分明。这样使学生对知识间的内在联系更为直观,也体现出结构严谨美。
    三是计算机多媒体教学美。计算机多媒体教学教育作为辅助教师的工具,体现在给人一种动态的美、色彩的美、立体的美,引人入胜、身临其境。它的应用加强了教学的直观性,为教学提供了新型的学习资源环境,扩大了信息时空,提高了教学效率,收到良好的教育效果。
(2)“以美启真”促进学生对知识的理解和规律的掌握,促进学生创造性思维的发展。在物理教学中真与美的联系处处可见,这些都能使学生产生美感。正是这种美感,要把握时期,一方面促进学生对知识的理解和掌握,另一方面启发学生创造性学习。例如,根据简洁和谐原则去总结、记忆所学的知识,对知识进行比较分类,理清内在联系,形成知识有序结构,总结归纳解题思路和方法,形成方法体系,或自觉地用简单原则去判断解题结果的正确与否。
(3)举行物理美学讲座活动。仿照艺术欣赏课的模式,配合教学进度,适时地举行适量物理美学讲座,将物理学家对物理美的执着追求,对物理美的深刻感受以及物理学家把美学思想作为发现物理规律,判断、鉴别理论真伪的特殊“尺子”的生动事例介绍给学生;对具有划时代意义的物理理论作出深刻准确和恰如其分的美学分析。让学生欣赏物理学中的“奇葩”,必将使学生心中物理美的火焰燃烧更旺。
总之,物理美育是潜移默化的教育,是经过长期美育熏陶的人就会形成一种完美的心理结构和心理定向,它会对人的一生的全部精神生活发生影响。正如艺术大师罗丹所说:“生活里并不缺少美,缺少的是发现美的眼睛。”同样,在我们物理教育的方方面面中充满了美学因素,发现、体验、并运用这些美学因素对于提高我们的教学质量、深化素质教育都有着积极而深远的意义。

 

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