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(zhì)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(zhì)。
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?,F(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(zhì)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(zhì),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(zhì)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(zhì)的物體摩擦就不會起電嗎?同種物質(zhì)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(zhì)存在,相互作用和運動變化規(guī)律的本質(zhì)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。
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