物理與藝術(shù)論文

1、物理與藝術(shù) 【摘要】物理與藝術(shù)，實(shí)則藝術(shù)的物理和物理的藝術(shù)的統(tǒng)一，它們以一個(gè)共同的基本點(diǎn)緊密地關(guān)聯(lián)在一起，那就是真理的普遍性和人類揭示真理的創(chuàng)造力。它以兩條主線將二者對(duì)比統(tǒng)一，即藝術(shù)：?jiǎn)掏羞_(dá)·芬奇畢加索和物理：伽利略牛頓愛(ài)因斯坦。在我們過(guò)去的認(rèn)識(shí)中好像二者是不相干的兩門學(xué)科，其實(shí)二者只是在表現(xiàn)形式上有所不同，藝術(shù)主要是圖形和比喻，物理則表現(xiàn)在數(shù)字和方程上?！娟P(guān)鍵字】物理，天體運(yùn)動(dòng)，光學(xué)，靜電場(chǎng),藝術(shù)【引言】在藝術(shù)和物理學(xué)中同時(shí)獲取有關(guān)自然（實(shí)在）的觀點(diǎn)，會(huì)從三個(gè)維度上全面看到它的更宏大的圖景，會(huì)理解它在擴(kuò)展開(kāi)的現(xiàn)在上的存在。藝術(shù)與物理學(xué)的有機(jī)結(jié)合，能使人們對(duì)自然廁身其內(nèi)的世界產(chǎn)生更高

2、層次上的認(rèn)識(shí)和理解?！菊摹?天體運(yùn)動(dòng)與藝術(shù)古希臘人曾強(qiáng)烈地致力于自然界中和諧的研究，并認(rèn)為音樂(lè)僅是自然界和諧中的一種。德國(guó)物理學(xué)家開(kāi)普勒曾說(shuō)：“天體的運(yùn)動(dòng)只不過(guò)是一首歌，一首連續(xù)的、有幾個(gè)聲部的歌?！痹谒磥?lái)，有聲的樂(lè)調(diào)固然很美，但有調(diào)無(wú)聲的仙曲則更美，因?yàn)樗粚?duì)人類的靈魂吹奏。他反復(fù)計(jì)算了有關(guān)行星近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度和各種比例關(guān)系，并從研究一首古老的名為和諧的序曲的樂(lè)曲中受到啟發(fā)，終于得到了（這里T為行星繞日運(yùn)動(dòng)的周期，D為行星距太陽(yáng)的距離）的關(guān)系，進(jìn)而譜寫了行星運(yùn)動(dòng)這首不能為聽(tīng)覺(jué)所感知，卻可以為思維所理解的“直接用樂(lè)譜、廣為使用音樂(lè)語(yǔ)言”的行星協(xié)奏曲（如圖1所示），并通過(guò)他的行星運(yùn)動(dòng)

3、第三定律表達(dá)出這首樂(lè)曲的主調(diào)。年，哥白尼出版天體運(yùn)行論。按史萊因的觀點(diǎn)，日心說(shuō)從根本上來(lái)說(shuō)脫胎于藝術(shù)家選定觀察位置（注意喬托的“透視法”涉及觀者位置）。伽利略通過(guò)觀察支持哥白尼的學(xué)說(shuō)，進(jìn)而提出慣性參考系、絕對(duì)靜止概念。前有藝術(shù)中觀察透視畫法作品，觀者需處于一個(gè)絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，今有物理學(xué)中絕對(duì)靜止點(diǎn)，史萊因提醒說(shuō)這是藝術(shù)與物理的有趣并行。 光學(xué)與藝術(shù)在平靜無(wú)風(fēng)的海面航行或在海邊了望，往往會(huì)看到空中映現(xiàn)出遠(yuǎn)方船舶、島嶼或城廓樓臺(tái)的影像；在沙漠旅行的人有時(shí)也會(huì)突然發(fā)現(xiàn)，在遙遠(yuǎn)的沙漠里有一片湖水，湖畔樹(shù)影搖曳，令人向往?？墒钱?dāng)大風(fēng)一起，這些景象突然消逝了。原來(lái)這是一種幻景，通稱海市蜃樓，或簡(jiǎn)稱蜃景。 為

4、什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？要解答這個(gè)問(wèn)題，得先從光的折射談起。當(dāng)光線在同一密度的均勻介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行的時(shí)候，光的速度不變，它以直線的方向前進(jìn)，可是當(dāng)光線傾斜地由這一介 質(zhì)進(jìn)入另一密度不同的介質(zhì)時(shí)，光的速度就會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)行的方向也發(fā)生曲折，這種現(xiàn)象叫做折射。當(dāng)你用一根直桿傾斜地插入水中時(shí)，可以看到桿在水下部分與它露在水上的部分好象折斷的一般，這就是光線折射所成的，有人曾利用裝置，使光線從水里投射到水和空氣的交界面上，就可以看到光線在這個(gè)交界面上分兩部分：一部分反射到水里，一部分折射到空氣中去。如果轉(zhuǎn)動(dòng)水中的那面鏡子，使投向交界面的光線更傾斜一些，那么光線在空氣中的折射現(xiàn)象就會(huì)顯得更厲害些。當(dāng)投向交界面的

5、光線如左下圖所示的情況時(shí)，光線就全部反射到水里，再?zèng)]有折射到空氣中去的光線了。這樣的現(xiàn)象叫做全反射。 空氣本身并不是一個(gè)均勻的介質(zhì)，在一般情況下，它的密度是隨高度的增大而遞減的，高度越高，密度越小。當(dāng)光線穿過(guò)不同高度的空氣層時(shí)，總會(huì)引起一些折射，但這種折射現(xiàn)象在我們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)習(xí)慣了，所以不覺(jué)得有什么異樣。 在夏季，白晝海水濕度比較低，特別是有冷水流經(jīng)過(guò)的海面，水溫更低，下層空氣受水溫更低，下層空氣受水溫影響，較上層空氣為冷，出現(xiàn)下冷上暖的反常現(xiàn)象（正常情況是下暖上涼，平均每升高100米，氣溫降低0.6 左右）。下層空氣本來(lái)就因氣壓較高，密度較大，現(xiàn)在再加上氣溫又較上層為低，密度就顯得特別大

6、，因此空氣層下密上稀的差別異常顯著。 假使在我們的東方地平線下有一艘輪船，一般情況下是看不到它的。如果由于這時(shí)空氣下密上稀的差異太大了，來(lái)自船舶的光線先由密的氣層逐漸折射進(jìn)入稀的氣層，并在上層發(fā)生全反射，又折回到下層密的氣層中來(lái)；經(jīng)過(guò)這樣彎曲的線路，最后投入我們的眼中，我們就能看到它的像。由于人的視覺(jué)總是感到物像是來(lái)自直線方向的，因此我們所看到的輪船映像比實(shí)物是抬高了許多，所以叫做上現(xiàn)蜃景。除了海市蜃樓，美麗的彩虹也向我們展示了生動(dòng)的光學(xué)藝術(shù)。原本光是筆直行進(jìn)的，但它也具有一旦進(jìn)入水中就會(huì)折射的性質(zhì)。因此太陽(yáng)光在通過(guò)雨的顆粒時(shí)就會(huì)折射。此時(shí)，由于光折射的角度因顏色而各異，所以七種顏色會(huì)以各自不

7、同的角度折射。所以七種顏色會(huì)很漂亮地排列起來(lái)。這就是形成彩虹的原理。因?yàn)椴屎绯尸F(xiàn)于與太陽(yáng)方向相反的天空，所以想在雨后看彩虹時(shí)要背對(duì)著太陽(yáng)。夏天雨后，烏云飛散，太陽(yáng)從新露頭，在太陽(yáng)對(duì)面的天空中，會(huì)出現(xiàn)半圓形的彩虹。 虹是由于陽(yáng)光射到空中的水滴里，發(fā)生發(fā)射與折射造成的。 我們知道，當(dāng)太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡的時(shí)候，前景的方向會(huì)發(fā)生偏折，而且把原來(lái)的白色光 線分解成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫7種顏色的光帶。 下過(guò)雨后，有許多微小的水滴漂浮在空中，當(dāng)陽(yáng)光照射到小水滴上時(shí)會(huì)發(fā)生折射，分散 成7種顏色的光。很多小水滴同時(shí)把陽(yáng)光折射出來(lái)，再反射到我們的眼睛里，我們就會(huì)看到一 條半圓形的彩虹。彩虹的色帶分明，紅的排在

8、最外面，接下來(lái)是橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫6種 顏色。 靜電場(chǎng)與藝術(shù)沙雕藝術(shù)中也隱藏著物理玄機(jī)，沙壘是一種游戲.用干沙或含水量多的沙都筑不成沙壘,只有濕沙才能筑成.沙壘筑成后,一旦干燥即崩潰;要使沙壘保持原來(lái)的形狀,就得小心澆水,使它保持一定的濕度.是什么力量使沙壘能保持不散呢?濕沙含有一定量的水.水一般是作為潤(rùn)滑劑使用的,它怎么又能增加沙子的黏性呢? 有人認(rèn)為,沙壘是由于沙中水的表面張力而結(jié)合在一起的.水分子具有一個(gè)永恒的電偶極,被稱為極性分子.這些電偶極相互吸引.在水與空氣的表面上,相鄰水分子的相互吸引使得水面實(shí)際上處于緊張狀態(tài).相互吸引產(chǎn)生的合力,使水面彎曲.在沙壘表面,這個(gè)合力是有助于沙壘

9、的穩(wěn)固的.然而在沒(méi)有空氣界面的沙壘內(nèi)部,沙出同樣穩(wěn)固.雖然內(nèi)部的水分子通過(guò)其電偶極的電場(chǎng)互相吸引,但這種引力很弱,它無(wú)助于沙的穩(wěn)固,不足以阻止它的流動(dòng).因此,這種解說(shuō)是不能令人滿意的。那么沙子在潮濕時(shí)黏結(jié)的力究竟是怎么產(chǎn)生的呢?一顆濕的沙粒表面存在正負(fù)兩種離子.通常這兩種離子成對(duì)組合,其中一人比另一個(gè)離沙粒表面稍微遠(yuǎn)些.究竟哪個(gè)離子在外,這在沙粒表面上是處處各異的.兩種取向的離子在沙粒周圍的空間產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)。負(fù)離子中,負(fù)電荷比正電荷多,其帶負(fù)電的電子云朝著鄰近正離子方向,稍稍偏離它的帶正電的原子核.這樣,形成電偶極.它在沙粒表面以外形成一個(gè)較弱的電場(chǎng).而表面的正離子缺少負(fù)電荷,且它的電荷并不

10、像負(fù)離子那樣發(fā)生分離.因此,它的電場(chǎng),是一個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng),這個(gè)電場(chǎng)比電偶極所產(chǎn)生的電場(chǎng)要強(qiáng).由此可見(jiàn),一個(gè)沙粒周圍的電場(chǎng)主要是由于沙粒表面的正離子產(chǎn)生的。沙粒周圍的電場(chǎng),改變了離沙粒表面較遠(yuǎn)的水分子中的氫核的平均距離.臨近表面的水層相對(duì)地具有負(fù)電性;而遠(yuǎn)離表面的水層相對(duì)具有正電性.從負(fù)電性到正電性的變遷是漸進(jìn)的.這一現(xiàn)象,稱為電的雙層擴(kuò)散。正是沙粒周圍的電場(chǎng),重新安排了水中氫原子的平均距離.從而使水的流動(dòng)性減小了.由于水的粘度增加,阻礙了沙粒間的相對(duì)滑動(dòng),沙就穩(wěn)固了. 水的穩(wěn)定趨勢(shì),隨著離開(kāi)沙粒表面的距離增加而減弱.當(dāng)沙粒間的水量過(guò)大使?jié)裆沉鲃?dòng)時(shí),它就不能用來(lái)構(gòu)筑沙壘了.盡管沙粒周圍相對(duì)帶

11、負(fù)電的水,仍然吸引著離沙粒較遠(yuǎn)的相對(duì)帶正電的水,但是水把沙粒分離得太遠(yuǎn)了.這種粘度較小的水流動(dòng)著,它不能阻止沙粒及周圍相對(duì)帶電的水相互滑移.因此,含水過(guò)多的沙是筑不起沙壘的.【結(jié)論】經(jīng)過(guò)這次的詳細(xì)搜索和閱讀后，我發(fā)現(xiàn)物理與藝術(shù)是相互聯(lián)系的，我們隨處可以見(jiàn)到物理與藝術(shù)的結(jié)合，隨時(shí)可以從我們身邊中發(fā)現(xiàn)物理的蹤跡。雖然它們各自有其專門的研究領(lǐng)域，各自從不同的途徑、不同的角度、不同的層次、用不同的方法，幫助人類去認(rèn)識(shí)世界和改造世界。然而，它們卻如同一對(duì)孿生兄妹，形影不離地發(fā)展著。它們之間存在著交叉，存在著滲透，存在著融合，它們有相通之處，有內(nèi)在的統(tǒng)一性。正如1970年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者阿爾分所說(shuō)：“像畫家運(yùn)用色調(diào)，雕刻家利用石膏，音樂(lè)家通過(guò)音符來(lái)表達(dá)自己的見(jiàn)解和感受一樣，科學(xué)家們是通過(guò)似乎是周圍的濃縮物的公式和定理來(lái)表現(xiàn)自己的高水平的美感的?！?我們?cè)诎l(fā)現(xiàn)美的同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)奧妙的物理知識(shí)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)藝術(shù)與科學(xué)的討論已成熱門話題。然而不可否認(rèn)，表層的多，深刻的少；形之予物的多，思之予心的少。如何推動(dòng)藝術(shù)與科學(xué)研究的深入？需要人類不斷地探索。作為一個(gè)大學(xué)生，我們