对称性与中学物理

摘  要：随着科技的发展，“对称性”不仅对物理学家来说是个重点研究的问题，也是中学生渴望了解的知识。本文主要分三部分：①什么是对称性;②对称性为何重要;③对称性与中学物理。学生思维活跃，不满足书上的知识，希望获得更前沿的东西，老师教授的知识和方法，也不是全盘接收，会抱有怀疑态度或试图用其他方法来解决，针对这些，把对称性和中学物理联系起来十分必要，实现了教学内容现代化，对称性是现代物理与中学物理之间的一座桥梁，将二者很好的联系起来。

关键词：对称性;素质教育;中学物理

一、引言

对称并不是陌生的，生活处处可见：建筑物有对称的;照镜子，人与像是对称的。物理中的对称又是怎样呢？它在物理学中处于怎样的地位？本文将先介绍物理学中的对称性，再将对称性应用到中学物理中，不仅实现课程由定律层面向理论层面的转移，更提高课程的现代化水平和学生的素质。

二、什么是对称性

物理学中的对称性是比具体事物更深层次的对称：对事物进行变动或操作，若操作后，该事物完全复原，则称该事物对该操作是对称的，而该操作叫对称操作。常见的对称操作有：镜象对称、转动对称、平移对称等。

对称意味着平等平权，不对称就是特殊特权，所以，消除特殊性就可达到对称性。创建新理论往往同发现新理论的对称性密切相关，例如相对性原理的建立，伽利略认为“一切力学规律在任何惯性参考系中都是等价的”，首先可以肯定伽利略提出的相对性原理体现了对称性，提出的“一切力学规律”，不论是静力学、动力学，或是流体力学规律都是平等的，所有的惯性系也是平等的，但这种对称性不彻底，仍有特殊——“力学规律”，消除这个“特殊”就变成“一切物理规律在任何惯性参考系中都是等价的”，这就是狭义相对性原理，狭义相对性原理中有“特殊”——“惯性参考系”，消除这个“特殊”就变成“一切物理规律在任何参考系中都是等价的”，这就是广义相对性原理。

对称性在现代物理学中是一个基本又深刻的观念，对称性方法是一种古老又精确的科学方法。首次将对称性原理引入理论物理学研究的是爱因斯坦。狭义相对论的建立和成功，第一次向人们显示了对称性原理在理论物理学中所发挥的决定性作用。

三、对称性为何重要

第一，对称性是科学理论必须具备的基本特征。牛顿时代，物理学的研究方法更多是从生活经验归纳物理定律。现代物理已超出了日常生活经验范围，不是由观察归纳理论，而是由理论决定观察什么。所以通过主观猜测、演绎推理来提出假说的方法取代了经验观察和逻辑归纳的方法。在假说基础上建立起来的理论必须有可检验性，要求实验可重复，结果可再现。实验结果不因时而异——时间平移对称性;实验结果不因地而异——空间平移对称性;实验结果不依赖参考系——相对论的对称性。具有对称性的理论才是可检验的，科学的。

第二，对称性体现了物理学简单、和谐、统一的审美标准。物理学家认为自然是复杂的，复杂性是由简单性衍生出来。以尽量少的基本定律去取代大量的唯象定律，以达到对自然界的统一描述。这要求不同时刻、地点、参考系的观察者观测到的物理规律相同，即物理规律具有对称性。因此，物理学把对称性概念发展成为一个判据：两个理论，对称性更高的更完美。

四、对称性与中学物理

（一）对称与选择法则

对称是没有特殊，比如买东西，随意选取，在同等价位下要选择好的，这就是“选择法则”——“有特殊，选特殊;无特殊，任意选”，根据“选择法则”可以解释：手中有球，松手时球下落，“下”是特殊方向，根据“选择法则”，球就下落。宇宙飞船上，没有特殊方向，松手小球就不会下落。

（二）对称性与力学

力学以三大守恒定律为主要结构，时间对称性导致能量守恒;空间对称性导致角动量守恒。牛顿三定律的导出也与对称性有关。

万有引力定律建立过程中用到了对称性，苹果落地，说明苹果受到地球的作用力，苹果和地球相差悬殊，但在物理问题中都可看成质点，二者是等价的，所以地球对苹果的作用力在大小上等于苹果对地球的作用力;同样其他物体对苹果间也有作用力，依次类推，扩展到天地万物间作用力都是相互的，从而产生了万有引力定律。

（三）摩擦起电

不同物质，原子核束缚电子本领不同。两个物体摩擦时，原子核束缚电子本领弱的物体，一部分电子就会转移到原子核束缚电子本领强的物体上，失去电子的物体带正电，另一个物体帶等量的负电。对称的观点看，不同物质的原子核束缚电子的本领不对称，不对称的原因导致了不对称的结果，所以摩擦会起电。

同种物质的物体摩擦就不会起电吗？同种物质的两个物体是对称的，但可以使摩擦操作是不对称的，比如交叉成十字而只移动一个物体，使两个物体带异种电荷。

掌握对称性主要抓住两个关键——不变性和操作。以上具体问题，都是先找不变性，再经过操作，才得出结果。

物理学的现代概念已经由过去的研究物理变化，扩展为今天研究宇宙各个层次的物质存在，相互作用和运动变化规律的本质特征的科学，是现代科学的真正领袖。正因为物理学处于这样一个重要位置，所以我们就更应该把先进、现代的知识融入中学物理中，使中学生的知识广度和深度得到提高，这也正是把对称性思想渗透到中学物理去的原因。对称性在现代物理与中学物理间架起了一座桥梁，对称性的加入使中学物理教学内容更加现代化。

参考文献

[1]赵凯华.定性与半定量物理学[M].高等教育出版社，1991.

[2]甄长萌.近代物理学[M].北京师范学院出版社，1987.

[3][英]J·P·Elliott，P·G·Dawber.物理学中的对称性[M].科学出版社，1987.

[4][英]L·Ryder，宋考同等译.基本粒子与对称性[M].科学出版社，1983.

[5]王国良.现代物理与中学物理[M].中国科学文化出版社，2002.

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