對稱性與中學物理

谷洋

摘? 要：隨著科技的發展，“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系起來十分必要，實現了教學內容現代化，對稱性是現代物理與中學物理之間的一座橋梁，將二者很好的聯系起來。

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，不僅實現課程由定律層面向理論層面的轉移，更提高課程的現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。創建新理論往往同發現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了對稱性，提出的“一切力學規律”，不論是靜力學、動力學，或是流體力學規律都是平等的，所有的慣性系也是平等的，但這種對稱性不徹底，仍有特殊——“力學規律”，消除這個“特殊”就變成“一切物理規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驗歸納物理定律。現代物理已超出了日常生活經驗范圍，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。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，對稱性體現了物理學簡單、和諧、統一的審美標準。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律相同，即物理規律具有對稱性。因此，物理學把對稱性概念發展成為一個判據：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“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“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，再經過操作，才得出結果。

物理學的現代概念已經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律的本質特征的科學，是現代科學的真正領袖。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容更加現代化。

參考文獻

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