谷洋

摘? 要：隨著科技的發(fā)展，“對(duì)稱(chēng)性”不僅對(duì)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是個(gè)重點(diǎn)研究的問(wèn)題，也是中學(xué)生渴望了解的知識(shí)。本文主要分三部分：①什么是對(duì)稱(chēng)性;②對(duì)稱(chēng)性為何重要;③對(duì)稱(chēng)性與中學(xué)物理。學(xué)生思維活躍，不滿足書(shū)上的知識(shí)，希望獲得更前沿的東西，老師教授的知識(shí)和方法，也不是全盤(pán)接收，會(huì)抱有懷疑態(tài)度或試圖用其他方法來(lái)解決，針對(duì)這些，把對(duì)稱(chēng)性和中學(xué)物理聯(lián)系起來(lái)十分必要，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化，對(duì)稱(chēng)性是現(xiàn)代物理與中學(xué)物理之間的一座橋梁，將二者很好的聯(lián)系起來(lái)。

關(guān)鍵詞：對(duì)稱(chēng)性;素質(zhì)教育;中學(xué)物理

一、引言

對(duì)稱(chēng)并不是陌生的，生活處處可見(jiàn)：建筑物有對(duì)稱(chēng)的;照鏡子，人與像是對(duì)稱(chēng)的。物理中的對(duì)稱(chēng)又是怎樣呢？它在物理學(xué)中處于怎樣的地位？本文將先介紹物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性，再將對(duì)稱(chēng)性應(yīng)用到中學(xué)物理中，不僅實(shí)現(xiàn)課程由定律層面向理論層面的轉(zhuǎn)移，更提高課程的現(xiàn)代化水平和學(xué)生的素質(zhì)。

二、什么是對(duì)稱(chēng)性

物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)性是比具體事物更深層次的對(duì)稱(chēng)：對(duì)事物進(jìn)行變動(dòng)或操作，若操作后，該事物完全復(fù)原，則稱(chēng)該事物對(duì)該操作是對(duì)稱(chēng)的，而該操作叫對(duì)稱(chēng)操作。常見(jiàn)的對(duì)稱(chēng)操作有：鏡象對(duì)稱(chēng)、轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)、平移對(duì)稱(chēng)等。

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

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

三、對(duì)稱(chēng)性為何重要

第一，對(duì)稱(chēng)性是科學(xué)理論必須具備的基本特征。牛頓時(shí)代，物理學(xué)的研究方法更多是從生活經(jīng)驗(yàn)歸納物理定律?，F(xiàn)代物理已超出了日常生活經(jīng)驗(yàn)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(guò)主觀猜測(cè)、演繹推理來(lái)提出假說(shuō)的方法取代了經(jīng)驗(yàn)觀察和邏輯歸納的方法。在假說(shuō)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的理論必須有可檢驗(yàn)性，要求實(shí)驗(yàn)可重復(fù)，結(jié)果可再現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不因時(shí)而異——時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性;實(shí)驗(yàn)結(jié)果不因地而異——空間平移對(duì)稱(chēng)性;實(shí)驗(yàn)結(jié)果不依賴參考系——相對(duì)論的對(duì)稱(chēng)性。具有對(duì)稱(chēng)性的理論才是可檢驗(yàn)的，科學(xué)的。

第二，對(duì)稱(chēng)性體現(xiàn)了物理學(xué)簡(jiǎn)單、和諧、統(tǒng)一的審美標(biāo)準(zhǔn)。物理學(xué)家認(rèn)為自然是復(fù)雜的，復(fù)雜性是由簡(jiǎn)單性衍生出來(lái)。以盡量少的基本定律去取代大量的唯象定律，以達(dá)到對(duì)自然界的統(tǒng)一描述。這要求不同時(shí)刻、地點(diǎn)、參考系的觀察者觀測(cè)到的物理規(guī)律相同，即物理規(guī)律具有對(duì)稱(chēng)性。因此，物理學(xué)把對(duì)稱(chēng)性概念發(fā)展成為一個(gè)判據(jù)：兩個(gè)理論，對(duì)稱(chēng)性更高的更完美。

四、對(duì)稱(chēng)性與中學(xué)物理

（一）對(duì)稱(chēng)與選擇法則

對(duì)稱(chēng)是沒(méi)有特殊，比如買(mǎi)東西，隨意選取，在同等價(jià)位下要選擇好的，這就是“選擇法則”——“有特殊，選特殊;無(wú)特殊，任意選”，根據(jù)“選擇法則”可以解釋?zhuān)菏种杏星?，松手時(shí)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(méi)有特殊方向，松手小球就不會(huì)下落。

（二）對(duì)稱(chēng)性與力學(xué)

力學(xué)以三大守恒定律為主要結(jié)構(gòu)，時(shí)間對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致能量守恒;空間對(duì)稱(chēng)性導(dǎo)致角動(dòng)量守恒。牛頓三定律的導(dǎo)出也與對(duì)稱(chēng)性有關(guān)。

萬(wàn)有引力定律建立過(guò)程中用到了對(duì)稱(chēng)性，蘋(píng)果落地，說(shuō)明蘋(píng)果受到地球的作用力，蘋(píng)果和地球相差懸殊，但在物理問(wèn)題中都可看成質(zhì)點(diǎn)，二者是等價(jià)的，所以地球?qū)μO(píng)果的作用力在大小上等于蘋(píng)果對(duì)地球的作用力;同樣其他物體對(duì)蘋(píng)果間也有作用力，依次類(lèi)推，擴(kuò)展到天地萬(wàn)物間作用力都是相互的，從而產(chǎn)生了萬(wàn)有引力定律。

（三）摩擦起電

不同物質(zhì)，原子核束縛電子本領(lǐng)不同。兩個(gè)物體摩擦?xí)r，原子核束縛電子本領(lǐng)弱的物體，一部分電子就會(huì)轉(zhuǎn)移到原子核束縛電子本領(lǐng)強(qiáng)的物體上，失去電子的物體帶正電，另一個(gè)物體帶等量的負(fù)電。對(duì)稱(chēng)的觀點(diǎn)看，不同物質(zhì)的原子核束縛電子的本領(lǐng)不對(duì)稱(chēng)，不對(duì)稱(chēng)的原因?qū)е铝瞬粚?duì)稱(chēng)的結(jié)果，所以摩擦?xí)痣姟?/p>

同種物質(zhì)的物體摩擦就不會(huì)起電嗎？同種物質(zhì)的兩個(gè)物體是對(duì)稱(chēng)的，但可以使摩擦操作是不對(duì)稱(chēng)的，比如交叉成十字而只移動(dòng)一個(gè)物體，使兩個(gè)物體帶異種電荷。

掌握對(duì)稱(chēng)性主要抓住兩個(gè)關(guān)鍵——不變性和操作。以上具體問(wèn)題，都是先找不變性，再經(jīng)過(guò)操作，才得出結(jié)果。

物理學(xué)的現(xiàn)代概念已經(jīng)由過(guò)去的研究物理變化，擴(kuò)展為今天研究宇宙各個(gè)層次的物質(zhì)存在，相互作用和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的本質(zhì)特征的科學(xué)，是現(xiàn)代科學(xué)的真正領(lǐng)袖。正因?yàn)槲锢韺W(xué)處于這樣一個(gè)重要位置，所以我們就更應(yīng)該把先進(jìn)、現(xiàn)代的知識(shí)融入中學(xué)物理中，使中學(xué)生的知識(shí)廣度和深度得到提高，這也正是把對(duì)稱(chēng)性思想滲透到中學(xué)物理去的原因。對(duì)稱(chēng)性在現(xiàn)代物理與中學(xué)物理間架起了一座橋梁，對(duì)稱(chēng)性的加入使中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容更加現(xiàn)代化。

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