等效方法在物理學中美的應用

等效方法是科學研究中的一種普遍方法,也是解決實際問題的有效方法,它既有低層次的等效,也有高層次的等效,既有直接的等效,也有間接的等效。物理學家李政道認為“科學與藝術是一個硬幣的兩面,科學是真中見美,藝術是美中見真,道通為一”,科學美是一種理性的美,以美導真。我們從物理學的等效方法中,就可以感受出物理學中美的應用,無處不在。

等效方法在物理學中美的應用

一、等效問題中既有收斂性思維,也有發散性思維。

將陌生問題等效為熟悉的常規性問題去解決,具有收斂性思維;將熟悉的問題陌生起來,不落俗套,用創造性的新方法代替常規方法,從新的角度解決已經熟悉的問題,又用運發散性思維。如三國故事中的司馬光砸缸救小孩,讓水脫離人等效人脫離水,曹衝稱大像中,已稱石子等效稱大象;愛迪生計算燈泡體積時,以注入水的體積,等效燈泡體積等等。這既是物理學原理具體在生活中用運,也是生活中提煉出的物理美。物理學中的美源於現實,又高於現實,共同達到一種高層次美的境界,物理學蘊含著美,美更需要物理學。

等效方法在物理學中美的應用

二、等效方法的美在物理學中,有著廣泛的應用。

其中一方面是物理學內容本身存在著等效的方法,另一方面是物理解題中的等效方法,本次主要談一談前一個方面的應用,後一方面關於解題中的應用不再例述。

但無論怎樣用運,我們都可以感覺出,物理學中的美以理性的公式、定理、理論表現出來,它存在於各種量化關係中,蘊含著真理內在的高層次的美。

等效方法在物理學中美的應用

等效代替:一個物理量可用一個或幾個物理量來代替;一種運動可用另一種或幾種運動來代替;一種運算可以用另一種運算來代替。

等效方法在物理學中美的應用

像位移、速度、加速度等矢量的合成與分解;視重中的等效重量;單擺振動週期中的等效加速度;滑輪組計算中的等效質量;變力做功可等效為恆力做功;多力平衡可等效為三力平衡;三力平衡可等效為兩力平衡;定轉軸平衡在一定條件下可等效為共點力平衡;交流電的有效值與直流電等效;脈動直流電可用一穩定直流電與一交變電流代替;曲線運動可用直線運動合成來代替 ;勻速圓周運動在x軸上的投影等效間諧振動;偏轉電場中的曲線運動可等效為,從中點射出的直線運動;變速直線運動可用平均速度等效為勻速直線運動。電阻、電源、電容及彈簧的並聯串也是一種等效;矢量運算可用正交分解等效為代數運算;圖像運算可代替公式運算等都是以等效美的公式出現。

等效方法在物理學中美的應用

三、等效表述:同一物理量或物理現象可從不同角度去表述。

如磁感應強度與磁通密度,磁通量變化與切割磁力線,電子繞核旋轉與環形電流,空穴運動與束縛電子填補運動,S極的指向與指N極,電勢可認為是零點的電勢差。絕對摺射率可認為是媒質對空氣的相對摺射率,電路中的伏特表,安培表等效斷路與短路,電容器中間插入金屬板可等效串聯,電容器部分插入介質中等效並聯。透鏡可認為是稜鏡的組合,合力的功可認為是分力功的代數和,某力對物體做負功可等效物體克服某力做正功。楞次定律中的多種不同形式表述,麥克斯韋理論中用電場變化等效電流運動,用感生電場代替感生電流等,都是等效方法應用的典型例子。

等效方法在物理學中美的應用

總之,從這裡可以看出,物理學中的美,有理論美、公式的美,有實踐設計的美,有圖像變換的美,有物體等同的美。物理學的概念、規律、在行式上是主觀的、抽象的,但在內容上是客觀的、具體的。這些客觀性與具體性決定了物理學本身蘊含的內在形象性,而所有這些物理學中,理論與實踐的結合都是美的傑作,蘊含著更深更高層次的真理。

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