浅析高中物理中的对称美

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中图分类号：G633.7文献标识码：B文章编号：1672-1578（2017）08-0159-01

"判天地之美，析万物之理"，教科书上庄子的这句话，引领师生走进高中物理的美学课堂。高中物理的文字、公式、图像，到处都体现了物理的简洁美，和谐美，统一美，对称美。本文着重对高中物理中的对称美做简要的分析和应用。

对称美是指整体各部分之间的相称或对应，如空间上的和谐布局，时间上的节律协和。对称之所以让人产生美感，是因为对称中存在着某种"重复"、"均衡"、"有序"的东西。人类传统美学中的对称仅指人们感性意识中的三维空间的对称，借助于建筑美学很容易理解对称美概念。科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美，而物理学中的对称美既有物理現象的对称美，还有公式的平稳庄重的对称美。

高中物理的实际教学中给学生输入对称美的概念，让学生能够在体会物理对称美的同时掌握相关的知识。

例1：平衡状态受力--从力的效果呈现空间对称。

对于处于平衡状态的物理，通常要对物理进行受力分析。由于处于平衡状态的物理所受合外力为零，所以可以根据对称性找到一些不易判断的力的存在和方向。

例2：竖直上抛运动的上升阶段和下降各阶段具有严格的对称性。

1、速度对称：物体在上升过程和下降过程中经过同一位置时速度大小相等，方向相反。

2、时间对称：物体在上升过程和下降过程中经过同一段高度所用的时间相等。

3、能量对称：物体在上升过程和下降过程中经过同一段高度重力势能变化量的大小相等，均为mgh。

4、可以看到，我们由此做出的v-t图像和h-t图像，都显示出了完美的对称性。

例3：公式的对称性：

机械能守恒定律公式的对称性： Ek1+Ep1=Ek2+Ep2。

动量守恒定律公式的对称性：m1v1+m2v2=m1v1"+m2v2"。

掌握了公式的对称性，很多计算结果的检验和记忆就简单多了。

比如动量守恒定律应用中的人船模型：人从长为L的船头走到船尾，不计水的阻力，求人和船的位移分别是多少？

解：不考虑水的粘滞阻力，人和船组成的系统在水平方向不受外力，取人运动方向为正，系统在水平方向动量守恒：

0=m人S人-m船S船 ①

L=S人+S船②

解得：S人=m船L/（m人+m船）

S船= m人L/（m人+m船）

从结果来看，答案具有很好的对称性，找到对称性便于学生及时核对答案的正确性以及做选择性的记忆。

另外，高中教材涉及到的对称美的地方有很多，比如：

1、反射和平面镜成像--物和像关于平面镜对称；

2、简谐运动--运动状态关于平衡状态的对称；

3、晶体的结构--分子排列的空间对称；

4、电场线的空间分布--常见的几种电场线的空间分布呈对称性；

5、光的反射折射--光路可逆；

6、原子与原子核--物质与反物质（电荷共轭）。

古往今来，对称性的美学意境引起很多科学家的心驰神往。从伽利略时代开始物理学家就把追求理论上的对称性作为一种有效的研究手法并取得了成功。例如牛顿发现万有引力（F=Gm1m2/r2）和库仑的静电力（F=Kq1q2/r2）非常对称。法拉弟受奥斯特电生磁现象的启发之后发现了磁生电的现象进一步揭示了电磁联系后人还发现电场和磁场在规律上有许多惊人的对称关系。

因此，在高中物理教学中，我们将追寻前人的足迹，努力尝试带领学生寻求高中物理学习中各种对称美，培养学生对物理学习的兴趣，提高学生的审美情趣。

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