最新《物理学中的美》PPT课件

物理学中的美物理学固然不是美学，但物理学中包含着美。

由于物理学所反映的是自然界丰富多彩的运动形式及规律性，因而它也就同时展现了自然界在结构上的对称、和谐与韵律美。

由于科学理论的首要目的是表达人们发现的自然界中存在的和谐。

所以，我们一眼就能看到这些理论具有美学价值。

对于一个科学理论的成功与否的衡量，事实上就是对它的美学价值的衡量，因为这就是衡量它给原本是混乱的东西带来了多少和谐。

自然科学美的主体成分理性美，是自然界的固有结构与人的认识、人类心灵深处的渴望在本质上的吻合。

它是通过科学的理想化、抽象化，以概念、定理、公式、理论的方式显示出来的。

由历代物理学家所精心雕琢的物理学大厦，可谓是一座辉煌壮丽的科学殿堂。

它集诸种基本形式美与内容美于一体，不仅向人们提供了对物质世界规律性的认识，同时也把一种令人心旷神怡的美景奉献给了人类。

只要步入这个“和谐的宇宙”，就一定能使具有一定科学素养的人领略和体味到这种理性美。

物理学所描述的对象是非常广泛的，因而它的美也在多方面有所体现。

从浩瀚无边的宇宙到微观世界的基本粒子，无不是物理学家的研究对象；从星系到夸克，全部都遵循着基本的物理规律。

结合美学的基本原则以及科学美的评价和判断标准，我们可以从以下几方面来欣赏物理世界的美：物理学中的逻辑简单性；物理定律的内在对称性；物理规律的复杂整体性；物理原理的并协互补性；物理理论的普遍性；物理学中的延伸性。

一个科学理论体系，“首要的是它的前提的简单性”，“唯一事关紧要的是基础的逻辑简单性。

”表达物理规律的语言是数学，而且往往是非常简单的数学。

这也正是一种微妙的美。

2000多年来，“以严格的数学关系来表示自然界一切事物的简单性与和谐性”一直绵延不断地支配着物理学家的头脑，被后人称为“物理学之父”的阿基米德，从数学上证明了杠杆原理、浮力定律等，从而使他的静力学闪烁着数学美的曙光。

哥白尼的日心说体系，由于提供了用圆周运动和匀速运动解释天体现象的最简单、最经济的方案，使得天文学上的测算变得更加容易，并且在他巧妙的构思下，“宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的和谐关系。

物理学中的形式美美可以使人赏心悦目，从而陶冶人们的性情，激励人们的情感，启迪人们的思想。

如自然界中的高山流水、茂林修竹、奇花异草等形式美。

科学美着重揭示自然规律的内含美，同样具有愉悦人身心的可感形象。

科学的形象，不仅具有具体的直观性，而且有抽象的概括性。

如数学中的函数图象，几何图形，物理学中的电力线，理想模型等。

形式美的主要内容是平衡对称，简洁和谐，多样统一。

以物质的基本运动和结构为研究对象的物理学理论体系，存在着异乎寻常的对称、和谐、简洁、多样统一。

这种理论体系的形式美，根植于客观物理世界的有序和协调。

挖掘物理学理论体系中的形式美，即有助于物理教学的研究，又可推动物理学的发展。

一、物理学中的对称美1.与时空坐标有关的对称在中学物理课本中，涉及到许多有关对称的问题。

例如，平面镜的成像问题，平面镜里的像与物的关系就具有典型的对称性。

甚至，在求解物理学问题时，也利用到了这种对称性。

如在求解静电场问题中运用的“电象法”，它是把导体面或介质分界面认为一面镜子，假想电荷（象电荷）就是原来电荷的像。

（见图1）此外还有轴对称，点对称等空间对称形式，以及周期、节奏、旋律等时间对称性。

例如，单摆、声源的振动具有时间和空间的对称性。

有时，空间的对称性往往伴有时间的对称性，平面简谐振动的规律就具有这种对称关系，数学表达式是x=Acos （ωt+α），其振动图像如图2所示。

2.与时空坐标无关的对称所谓对称，用数学语言来说，就是某一现象（或体系）在某一变换下不改变，则该现象（或体系）具有该变换下所对应的对称性。

这种对称性有极其重要的意义，自从二十一世纪初以来，物理学的主流几乎全是寻求这种对称性原理。

爱因斯坦1905年的论文“关于运动物体的电动力学”含有理论物理学的新的主导方向：一切理论必须服从相对原理（洛仑兹不变性）。

现在，还有许多其它对称原理，如规范不变性、相同粒子交换对称性（弗米和玻色统计法）。

当今物理学家研究表明：自然界中有待发现的可能就是那些“潜在”的对称性。

物理与美学美的内涵是对能引起人们美感的客观事物的共同本质属性的抽象概括，其本质是审美客体合目的性和合规律性的统一。

美的存在是客观事物的一种表现，我们能够认识美的规律，按照美的规律去创造美。

而物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学。

它科学地揭示了自然规律,同时也展示了自然、人类与科学的艺术魅力。

物理中有自然的美,也有科学和艺术的美：第一，狭义的物理世界是自然界的一部分，这部分物理世界具有的美也是自然美的一个组成部分。

第二，人造的物理世界是人类发挥了自己的主观能动性，以美的规律创造的物理世界，比如激光、无线电、计算机、超导、航天飞机等以及为了重复和模拟自然现象而创造的实验条件，这一部分是物理学对人类提供的不朽的物质财富，它所产生的美感是自然美所不能包含的；第三，物理学是人类为研究物理世界而创造的一门科学，它是人类认识世界、改造自然的智慧结晶。

而科学的本质是“真、善、美”，这种科学美，历来为科学大师所推崇，法国数学家彭加勒曾说：“一个名符其实的科学家，尤其是数学家，他在自己的工作中体验到和艺术家一样的印象。

他的乐趣和艺术家的乐趣具有同样的性质，是同样伟大的东西。

”这种科学美在物理学中表现尤为明显，物理学所揭示的真理就是真与美的统一。

物理美学除了具备科学美普遍的特征外，还有自己独有的一些特性。

物理美是属理性的美。

物理美应包含三部分：（1）自然物理现象的美；（2）物理创造的美；（3）物理学作为一门科学的美—物理学美。

1.物理现象的自然美物理涉及力、声、热、光、电、磁和原子物理等内容,物理现象千姿百态、美妙无穷。

如星移斗转、日夜交替、春秋轮回、物态互变等自然规律,因有序而美;光的反射与倒影、折射与海市蜃楼、色散与彩虹、日食和月食都有奇异的美。

人类在研究和应用物理方面创造的辉煌成果,是美的精品。

蒸汽机、发电机、激光器、电子对撞机的发明,步步促进人类生产、生活和高科技的发展;众多的航天器和卫星正在全球通讯、气象观测、国防和科研等方面建功立业;电磁技术、激光技术、能源开发技术突飞猛进;核电站、太阳能电站的相继林立充分展示了物理前景无限美好。

浅谈高中物理学蕴含的美对称美，就是物理学在揭示自然界物质的存在、构成、运动及其转化等规律的过程中因对称性，而产生的美感。

“对称美”在物理学中的表现有：时空对称、数学对称和抽象对称。

时空对称指的是物理现象（或系统）在时空变换下的不变性。

物理学中的时空对称有空间对称、时间对称、时间和空间同时对称三种情形。

如在光学和固体物理学中出现的空间对称;在交变电流和电磁振荡研究中出现的时间对称;物体竖直上抛和斜向上抛运动的上升过程与下降过程中的时空对称。

数学对称表示物理内容在数学形式（图与式）上的对称性。

如电磁学中库仑力的平方反比定律的公式表达就是追求跟万有引力平方反比定律的对称而获得的。

抽象对称表示以抽象的方式所反映出的物理内容的对称。

即从一个概念、一个命题或一个理论中所反映出来的对称性。

如在创立广义相对论时，把电磁理论中的洛仑兹不变性作为对称性假设。

正是这些抽象的对称性思考，有助于解开宇宙密码，推动物理学发展。

物理学的美在于它的简洁，它客观地展现出“简洁”的风采。

但这个简洁是指物理表达形式的简洁而知识内涵的丰富，是简洁和丰富，形式和内涵的对立统一。

如一切物质都由最简单的粒子构成。

它主要表现在物理学的理论和方法两个方面。

从物理理论的整体来看，各种物理现象和过程千差万别，但在本质上却可归结为若干基本概念和原理。

例如，牛顿定律将宏观低速条件下各种机械运动的规律组成了一个秩序井然的集体。

这体现了物理学理论整体的`简洁美。

物理学理论的简洁美，还表现在组成物理理论的物理概念和物理规律的表达方面。

作为反映事物本质属性和共同特征的物理概念，是抽象和概括的结果，它的表述力求简洁、精炼。

如力是“物体对物体作用”。

物理规律反映了事物发生、发展、变化的规律，它是观察、实验和物理思维相组合的产物，其表述也是在科学、准确的基础上力求简洁，如E=mc2、F=ma等等。

物理学中的理想化方法是从多维的具体形象中，抓住最具本质特征的主要形象，舍弃一些次要形象，建立起一个轮廓清晰、主题突出的新形象，从而简化物理问题。

物理中的美马克思说过:“人类是按美的规律去改造世界的。

”有位科学哲人也说过：“美是真理的光辉。

”美不仅是人类所应追求的目标之一, 而且人们还要按照美的规律去认识世界、改造世界。

从科学的角度去认识物理，研究物理，我们将在科学审美中得到飞跃和升华。

物理学作为一门严谨的自然科学，它集合了理论与实验为一体！物理学固然不是美学，但物理学中包含着美。

由于物理学所反映的是自然界丰富多彩的运动形式及规律性，因而它也就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。

但是，物理中的美是科学美的一部分，它不同于艺术美那么直观，它不易为人所理解，它需要我们细细斟酌，品味。

1.物理中的简洁美与深刻美简洁美以简单、洁净呈现其美感, 简洁美是科学美的特征之一。

作为反映物体运动变化规律的物理来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受。

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。

物理概念和规律能客观的反映物质世界的属性及其运动变化规律, 所以物理本身的内涵又具有深刻性。

例如, 爱因斯坦的质能联系方程E = mc2 ,其反映的质量与能量之间的联系及其数学表达形式简洁无比, 但却成为指导人们进一步对核反应规律的认识和从核反应中获得巨大能量的基础理论, 从这点讲又是深刻的。

高中时学理科的同学可以比较容易的从原子核质量的变化与释放或吸收能量之间的简洁关联E = mc2 中感悟到物理关系式的简洁美。

再从正负电子相遇“湮灭”成光子,而光子即为能量中,我们又可以体会到 E = mc2 的深刻性和它描述的广泛性。

再如，力的独立作用原理：几个力同时作用在一个物体上,如果所有的力或其中几个力各自都使物体产生相应的加速度,那么,每个力使物体产生的加速度和其余的力不存在一样。

科海泛舟王安昌自然界是一个姹紫嫣红、五彩缤纷的美的世界。

物理学是一门自然科学，其中也充满着美的芬芳。

尽管物理学的美也经常地表现于物理对象的外表，但总的来说物理学的美深深地蕴藏在它的基本结构之中，即蕴藏在物理对象的相互联系之中，蕴藏在物理方法的共通之中。

３６科海泛舟一、和谐优美的物理现象“非本质的现象常常是丰富多彩的”。

如飞流直下的瀑布，洁白规则的雪花，五彩缤纷的虹霓，悦耳动听的乐音，五颜六色的彩灯，等等。

这些物理现象，既和谐，又优美，同时也说明了自然界是多彩多姿的。

二、简单明了的物理公式“自然界喜欢简单化，而不爱多用什么多余的原因以夸耀自己”。

如物理量的定义常用一些物理量相除或相乘的方法来表达。

速度、密度、压强、电势、电场强度等是用有关物理量相除来表达的；功、动量、动能等是通过有关物理量相乘来表示的。

这些物理公式，既简单又明了，同时也说明了自然界是相互联系的。

三、对称均衡的物理规律“最重要的东西往往是最简单的”。

如电磁场理论蕴藏着完美的对称结构特征：电场与磁场、时间与空间对称。

而且最后可以由电磁场张量把麦氏方程组写为明显的协变形式。

又如打破了经典力学质量守恒和能量守恒的质能关系等。

这些物理规律，既对称又均衡，同时也说明了自然界是统一的。

四、精确巧妙的物理方法“科学研究更需要科学的方法”。

如在库仑做扭秤实验的时候，还不知道怎么来测量电量，电量的单位也还没有确定。

库仑用一个简单的办法巧妙解决了这个问题。

又如测量光速沿不同方向的差异的迈克尔逊—莫来实验等。

这些实验方法，既精确又巧妙，同时也说明了自然科学的研究方法是共通的。

五、精湛绝伦的物理应用“物理学的应用是极具价值的”。

如电视、原子弹、电子计算机、人造地球卫星、宇宙飞船等。

这些物理应用，既精湛又绝伦，同时也说明了自然科学的应用是广泛的。

在物理学习中，恰当地揭示物理学中的美学，既可有助于同学们对美的欣赏，又可培养优美的生活情操，增强对问题的辨别力，从而使同学们的身心得到健康发展。