對稱性與中學物理

谷洋

摘? 要：隨著科技的發(fā)展，“對稱性”不僅對物理學家來說是個重點研究的問題，也是中學生渴望了解的知識。本文主要分三部分：①什么是對稱性;②對稱性為何重要;③對稱性與中學物理。學生思維活躍，不滿足書上的知識，希望獲得更前沿的東西，老師教授的知識和方法，也不是全盤接收，會抱有懷疑態(tài)度或試圖用其他方法來解決，針對這些，把對稱性和中學物理聯(lián)系起來十分必要，實現(xiàn)了教學內(nèi)容現(xiàn)代化，對稱性是現(xiàn)代物理與中學物理之間的一座橋梁，將二者很好的聯(lián)系起來。

關鍵詞：對稱性;素質教育;中學物理

一、引言

對稱并不是陌生的，生活處處可見：建筑物有對稱的;照鏡子，人與像是對稱的。物理中的對稱又是怎樣呢？它在物理學中處于怎樣的地位？本文將先介紹物理學中的對稱性，再將對稱性應用到中學物理中，不僅實現(xiàn)課程由定律層面向理論層面的轉移，更提高課程的現(xiàn)代化水平和學生的素質。

二、什么是對稱性

物理學中的對稱性是比具體事物更深層次的對稱：對事物進行變動或操作，若操作后，該事物完全復原，則稱該事物對該操作是對稱的，而該操作叫對稱操作。常見的對稱操作有：鏡象對稱、轉動對稱、平移對稱等。

對稱意味著平等平權，不對稱就是特殊特權，所以，消除特殊性就可達到對稱性。創(chuàng)建新理論往往同發(fā)現(xiàn)新理論的對稱性密切相關，例如相對性原理的建立，伽利略認為“一切力學規(guī)律在任何慣性參考系中都是等價的”，首先可以肯定伽利略提出的相對性原理體現(xiàn)了對稱性，提出的“一切力學規(guī)律”，不論是靜力學、動力學，或是流體力學規(guī)律都是平等的，所有的慣性系也是平等的，但這種對稱性不徹底，仍有特殊——“力學規(guī)律”，消除這個“特殊”就變成“一切物理規(guī)律在任何慣性參考系中都是等價的”，這就是狹義相對性原理，狹義相對性原理中有“特殊”——“慣性參考系”，消除這個“特殊”就變成“一切物理規(guī)律在任何參考系中都是等價的”，這就是廣義相對性原理。

對稱性在現(xiàn)代物理學中是一個基本又深刻的觀念，對稱性方法是一種古老又精確的科學方法。首次將對稱性原理引入理論物理學研究的是愛因斯坦。狹義相對論的建立和成功，第一次向人們顯示了對稱性原理在理論物理學中所發(fā)揮的決定性作用。

三、對稱性為何重要

第一，對稱性是科學理論必須具備的基本特征。牛頓時代，物理學的研究方法更多是從生活經(jīng)驗歸納物理定律。現(xiàn)代物理已超出了日常生活經(jīng)驗范圍，不是由觀察歸納理論，而是由理論決定觀察什么。所以通過主觀猜測、演繹推理來提出假說的方法取代了經(jīng)驗觀察和邏輯歸納的方法。在假說基礎上建立起來的理論必須有可檢驗性，要求實驗可重復，結果可再現(xiàn)。實驗結果不因時而異——時間平移對稱性;實驗結果不因地而異——空間平移對稱性;實驗結果不依賴參考系——相對論的對稱性。具有對稱性的理論才是可檢驗的，科學的。

第二，對稱性體現(xiàn)了物理學簡單、和諧、統(tǒng)一的審美標準。物理學家認為自然是復雜的，復雜性是由簡單性衍生出來。以盡量少的基本定律去取代大量的唯象定律，以達到對自然界的統(tǒng)一描述。這要求不同時刻、地點、參考系的觀察者觀測到的物理規(guī)律相同，即物理規(guī)律具有對稱性。因此，物理學把對稱性概念發(fā)展成為一個判據(jù)：兩個理論，對稱性更高的更完美。

四、對稱性與中學物理

（一）對稱與選擇法則

對稱是沒有特殊，比如買東西，隨意選取，在同等價位下要選擇好的，這就是“選擇法則”——“有特殊，選特殊;無特殊，任意選”，根據(jù)“選擇法則”可以解釋：手中有球，松手時球下落，“下”是特殊方向，根據(jù)“選擇法則”，球就下落。宇宙飛船上，沒有特殊方向，松手小球就不會下落。

（二）對稱性與力學

力學以三大守恒定律為主要結構，時間對稱性導致能量守恒;空間對稱性導致角動量守恒。牛頓三定律的導出也與對稱性有關。

萬有引力定律建立過程中用到了對稱性，蘋果落地，說明蘋果受到地球的作用力，蘋果和地球相差懸殊，但在物理問題中都可看成質點，二者是等價的，所以地球對蘋果的作用力在大小上等于蘋果對地球的作用力;同樣其他物體對蘋果間也有作用力，依次類推，擴展到天地萬物間作用力都是相互的，從而產(chǎn)生了萬有引力定律。

（三）摩擦起電

不同物質，原子核束縛電子本領不同。兩個物體摩擦時，原子核束縛電子本領弱的物體，一部分電子就會轉移到原子核束縛電子本領強的物體上，失去電子的物體帶正電，另一個物體帶等量的負電。對稱的觀點看，不同物質的原子核束縛電子的本領不對稱，不對稱的原因導致了不對稱的結果，所以摩擦會起電。

同種物質的物體摩擦就不會起電嗎？同種物質的兩個物體是對稱的，但可以使摩擦操作是不對稱的，比如交叉成十字而只移動一個物體，使兩個物體帶異種電荷。

掌握對稱性主要抓住兩個關鍵——不變性和操作。以上具體問題，都是先找不變性，再經(jīng)過操作，才得出結果。

物理學的現(xiàn)代概念已經(jīng)由過去的研究物理變化，擴展為今天研究宇宙各個層次的物質存在，相互作用和運動變化規(guī)律的本質特征的科學，是現(xiàn)代科學的真正領袖。正因為物理學處于這樣一個重要位置，所以我們就更應該把先進、現(xiàn)代的知識融入中學物理中，使中學生的知識廣度和深度得到提高，這也正是把對稱性思想滲透到中學物理去的原因。對稱性在現(xiàn)代物理與中學物理間架起了一座橋梁，對稱性的加入使中學物理教學內(nèi)容更加現(xiàn)代化。

參考文獻

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