物理学与科学美

 日常生活中,“物理学”和“美”这二个术语都是人们非常熟悉的．在辞典中,物理学的定义是：探讨物质结构和物质运动规律的学科．“美”在辞典中的定义具有多样性,在一定范畴内,“美”定义为：各个部分的匀称性和比例性、和谐、形式的适宜性和完整性,形式和内容的一致性等等．当然,这只是静态的看法．在动态的认识中,“美”本身还包含着受历史和社会制约的因素,也就是说,“美”是发展的、变化的．表面看来,这二者似乎关联不多,实际上,若以扩展的眼界观察,从表层研究或深层上思索,二者关系异常密切．诺贝尔物理学奖获得者阿尔芬曾指出：“像画家运用色调,雕刻家利用石膏,音乐家通过音符来表达自己的见解和感受一样.     

时空的对称性

 时空的对称性是大自然的奇妙特性之一,这种特性几乎是无处不在。例如,从宏观的角度看,人和动物的形体结构是左右对称的,植物的结构也是左右对称的,飘落的雪花的结构也是对称的。从微观的角度看,所有晶体都是对称排列的,水分子的排列也是具有严格的对称性。对称性无论在人们的日常生活中,还是在科学研究和应用技术领域,都具有非常重要的作用和地位;它潜移默化地影响着人类的观念和思维,这点可以从人类建筑的对称结构和人的对称审美观来说明;尤其在物理科学的研究中,例如基本粒子的研究、半导体物理的研究等等,时空对称性都是处于核心地位的重要概念。     

物理科学中的对称性

 大自然的奇妙特性之一就是对称性．例如,从宏观的角度看,人和动物的形体结构是左右对称的,植物的叶子、花瓣等也是左右对称的．从微观的角度看,所有晶体都是对称排列的,水分子的排列也具有严格的对称性．以物理科学中,对称性具有严格的定义：“对一个事物进行一次变动或操作;如果此操作后,该事物完全复原,则称该事物对所经历的操作是对称的．”由于操作的不同,将有不同的对称性．而且研究表明,对应于每一种对称操作,都有物理学的一个守恒定律与其对应．所以,又有了关于物理定律的对称性的定义：“如果某个物理定律经过一定的操作后,其形式保持不变,我们称该定律具有对称性．     

物理学中美的探讨

 跨进物理学的门坎,就能听见美的交响。物理学作为研究物质结构和运动基本规律的科学,追求“达万物之理”,由真由善而至美。而且,在不断探索新现象、揭示新规律、提出新概念、建立新理论的过程中.     

基于物理学史的一堂探究课——“牛顿第一定律”的教学设计

本节课是立足于新课程理念的一节科学探究课,将物理学史与物理规律教学进行有机渗透,并在这条物理学史教育主线中穿插了讲授法、学生探究、组织学生讨论分析,教师实验演示和多媒体展示等多种教学方法.多样化的教学方式,帮助学生学习物理知识与技能,培养其科学探究能力,并使其逐步形成科学态度与科学精神.     

物理教学中渗透物理学史教育的途径

 科学哲学、科学史与科学教育有机结合,已成为当今世界科学教育界的热点问题之一.在物理教育中树立历史的观点,发挥物理学史的教育功能更是中外物理学家和物理教育工作者一直关注的研究课题.早在本世纪30年代.     

生活的物理学原理

 本文不想再由薛定谔的负熵原理与普利高津的耗散结构理论以及遗传基因等等论述“生命中的物理学”,而想从人们对日常生活的感受与理解、以举例的方式、趣味性地谈论“生活中的物理学原理”。一、“春捂秋冻”的“热惯性原理”在春光明媚、春风得意之时,有些年轻人好像迫不及待地过早换上过于单薄的“春装”,结果吃了不听老人言的亏,因“美丽冻人”而患上感冒症等。殊不知古人云“春捂秋冻”,这是古往今来的经验之谈,又是符合科学原理的简明总结。先谈“春捂”:经过漫长的严冬之后,“冷气”已“冰冻三尺”似地渗入大地与机体,尽管大地回春,但寒冷不会立即消去.     

惯性原理及其宇宙起源(上)

 常言说得好,没有规矩,不成方圆。没有基准,也就失去依据。什么是引进物理量和描述物理规律的规矩和基准呢?在力学和物理学中,惯性原理即对于惯性观测者以惯性运动和惯性系为基础的相对性原理,对于力学量和物理量的引进、力学和物理规律的描述,起着十分重要的基准作用。对于与空间、时间,其中物质和运动直接相关的力学量和物理量,以及相应的力学和物理规律而言,至少在引力相互作用可以不考虑的情形中是这样。事实上,惯性原理的这一基准作用,在牛顿力学和狭义相对论中都非常突出。早在我国汉代就有记载:“地恒动而人不知,譬如闭舟而行不觉舟之运也。”     

物理学中的简炼与和谐

 物理学作为探讨物质结构和物质运动规律的学科,其学科本身蕴藏着固有之美。与此同时,在研究物质世界过程中物理学家们又以独特的眼光创造着美,发现着美,由真至善至美。物理学与科学美相伴相生,在不断探索中它日趋完善。狄拉克曾经说过“让方程式优美比让方程式符合实验更重要”。这充分体现了科学家们的美学思想。科学家们在从事科学研究的过程中,发现科学理论的美学价值,通过对客观规律高度概括的公式和定理来表现高水平的美感。美是发展的,美是变化的。     

物理学家的美学思想对物理学发展的作用

 打开物理学史会发现许多物理学家从事物理研究的直接动力来自于对自然美的一种追求。这里所说的自然美不仅指自然现象之美,更主要的是指自然现象背后物质结构、运动规律的内在美。它是一种理性美。爱因斯坦曾写道:“十分有力地吸引住我的特殊目标,是物理学领域中的逻辑的统一。”洛伦兹1878年在莱顿就职演讲时说:“所有物理研究的目的在于寻求简单的、可以说明所有现象的基本原理。”彭加勒在《科学和方法》中写到:“如果大自然不美,那它就不值得认识,如果大自然不值得认识,就不值得活下去。     

核心素养视角下物理学史的价值体现——以“热力学第一定律”为例

把物理学史引入中学物理教学是培养学生物理学科核心素养的有效策略之一.热力学第一定律的发现涉及迈耶、焦耳、亥姆霍兹等相关历史人物,具有把物理学史融入到教学中的价值.分析教材内容呈现的局限性,展现较为完整的“热力学第一定律”的发展历史,并以此为例,结合课标的要求,分析其在培养学生学科核心素养的价值.     

物理学史上失踪的中国人

李复几,原名李福基,字泽民,江苏吴县人。李复几是第一位出国学习物理学并获得博士学位的中国留学生,是中国近代物理学先驱者之一。他早年就读于长沙习武学堂,后入上海南洋公学。1901年,李复几南洋公学中院毕业,获该校奖学金资助,去英国留学,1904年从伦敦大学毕业。1906年,李复几赴德国波恩皇家大学学习,在著名物理学家、大气中氦的发现者H.Kayser指导下,进行光谱学研究。李复几的博士论文完成于1907年1月,题目是《关于勒纳碱金属光谱理论的分光镜实验研究》,主要内容是通过拍摄钠的火焰光谱图来验证P.勒纳(Lenard)提出的火焰中心发射说。为了验证勒纳的理论,李复几在其导师凯瑟尔指导下,在波恩大学物理研究所做了实验研究。他将钠放入两根碳棒电弧之中,用摄谱仪拍下火焰照片。其摄谱仪是当时最好的光谱仪,可以在百分之一秒的曝光时间内拍下清楚的铁弧光谱。李复几拍摄了大量照片,即使以高倍放大镜在毛玻璃上观察,也没有看到中空火焰的形状,甚至连一丝痕迹都不存在。李复几又进一步采用加大光圈或延长曝光时间的方法,通过反复实验发现:"加大一倍光圈,第一副线系谱线的图像和正常光圈时主线系一样大;再加大光圈,第一副线系的图像还可以大于最小光圈时主线系的图像。"因此,李复几得出结论:火焰图像大小实际上是与其强度相关的。最后,李复几在论文中断言:"我相信,这足以证明勒纳关于光弧由大量相互包裹的中空火焰组成、每一个都是一个发射中心,每个中心发射一个线系的假说是不正确的。"同时他也分析了勒纳假说产生错误的原因。波恩大学认为李复几的论文做得非常优秀。勒纳因阴极射线的实验研究于1905年获得诺贝尔物理学奖,是当时德国物理学大权威,后来成为20世纪科学领域的主将的爱因斯坦曾于1903年提出申请要做他的助手,被他拒绝。这样一位物理大师所建立起来的理论,却被一个年仅25岁的中国青年人所推翻,足见我国第一位物理学博士出手不凡。然而,令人遗憾的是,除了其博士论文扉页上关于求学经历等少量信息外,其余关于李复几的生平鲜有人知。李复几回国后从事何职业,何年而卒?没有人知道他的行踪。就连他的儿女,也不知道父亲是一位怎样的人。在上海交大发掘出的历史材料基础上,2007年起,李复几的儿子——82岁的李正修决定寻找父亲的踪迹。他凭着自己对父亲的一点记忆,并综合亲属访谈,进行了调查研究。李复几(1881-1947年)几年来,李正修分别给武汉、萍乡、南京、自贡等有关单位和人士写信,请求帮助查找有关父亲的情况。他参照相关历史档案,文字资料等等,补充了父亲在四川自贡盐井工作和生活直到病逝的大致情况。他深深感谢给予各种帮助的单位和个人。虽然李复几回国后没能继续在国外的研究工作,但他与其他几位中国早期物理学者首开中国人研究物理学之先河,一定程度上影响了后来者,成为中国近代物理学发展史的"起点"人物。本刊转载杨东晓记者于2012年第8期在《看历史》上发表的《物理学史上失踪的中国人》,让更多的物理学者了解我国第一位物理学博士李复几的生平和对物理学的贡献。     

空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革

 2005年是世界物理年,是年11月份,南开大学物理学院“今日物理”邀请中科院理论物理研究所资深研究员郭汉英老师作了题为《空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革--大船、水桶、升降机、橡皮膜和暗宇宙》的讲座。讲座之后,“今日物理”活动组的徐光明、苗荣欣等同学对郭老师进行了专访,几经讨论,内容已经超出原来的讲座。现与郭老师一起整理成文,供大家参考。徐光明:郭老师,您好。非常感谢您在百忙之中来到南开物理系所作的精彩讲座,谢谢您对我们“今日物理”活动的支持!您的演讲深入浅出,使同学们受益匪浅。我们想就这个话题的讨论整理成稿,发表出来,作为世界物理年纪念活动的一部分,您看可以吗?     

假说是物理学理论的胚胎

 物理学理论的确立离不开假说,因为它是通过假说发展而来的。这正如恩格斯所指出的“只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说。”因此,研究假说的本质、作用及其转变为科学理论的过程,将有助于探讨物理学发展的一般规律和方法论。一、假说是科学性和猜测性的辩证统一物理学研究的任务是揭示自然现象的本质和规律,创立科学的理论。但在客观事物的本质未被充分揭示以前,人们总要根据已经掌握的科学原理、科学事实,运用抽象的逻辑方法,借助于创造性思维,预先作出一些假定性的解释,这就是假说。任何假说的建立,都必须以一定的科学知识和经验事实为基础。     

物理学所蕴涵的人文基因

 科学“求真”,人文“求善”,两者交融则“生绿”,即“求美”。现代高等教育应是科学教育与人文教育融为一炉的“绿色教育”。因为只有这种真、善、美有机统一的教育理念与模式,才是今天素质教育对人的培养所追求的最高目标。一则它可以使受教育者自觉地陶冶与纯洁思想感情、升华精神境界、树立对国家、对民族的高度责任感和使命感,即培养学生“钟情于爱国”的大德;二则它能活跃与完善青年人的思维能力、优化思维过程、开启作为万物之灵的人的固有灵性、发挥人类进化500万年来所形成的巨大潜能,极有利于学生“不断创新”。     

一种导出洛仑兹变换的简明方法

通过二个假设实验 ,由光速不变原理导出了洛仑兹变换关系式 ,简明严谨。     

广义相对论的实验验证

 自1687年《自然哲学的数学原理》问世以来,牛顿力学取得了很大的成功与发展。很少有理论能和万有引力定律的预言的准确性相比拟。但即使如此,牛顿的理论也不是十分完善的。一个例子是水星的近日点的进动。水星轨道长轴的方向在空间不是固定的,在一世纪内会转动5601秒弧度。用牛顿理论计算出所有行星对它的影响后,还差43秒弧度与观测不符,另外,牛顿引力理论有一个很严重的缺陷,就是它认为引力的传播不需要时间。例如,如果太阳表面某处突然爆发日珥(喷出明亮的气团),按牛顿理论,其引力变化在地球上即时即可发现,这一点直接违反了狭义相对论.     

简论时间和空间的演化

 在自然科学理论中,空间和时间的概念是基本的和必不可少的,其不仅属于自然科学理论的基本概念亦属于原始概念．此二概念本身来源于人类的社会实践,有其经验上的起源．在不同的自然科学理论中,时间和空间的概念又是各不相同的,说明其意义随着自然科学理论的不同在不断地改变和得到丰富与发展．（一）牛顿的绝对时空观１７世纪法国的哲学家笛卡尔首先创立了坐标系,把代数的方法引入几何学实现了代数学和几何学的统一,因此空间成为一种具有三维性、均匀性、各向同性、连续性和无限性的特征．正是这种经过笛卡尔发展和完善后的欧几里得几何学成为牛顿力学的支柱．     

广义相对论简介--工科大学物理课讲授广义相对论的一种方案

用普通物理语言简介广义相对论的基本观点,等效原理,时间和空间,对一种引力场－史瓦西场中的固有时和真实距离进行了计算。