高中物理學(xué)習(xí)過程中體會到的對稱美

梁明朗

【摘要】? 對稱是一個很深刻的問題，他的應(yīng)用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了只是在空間圖形上討論的那些狹窄的領(lǐng)域，在筆者的學(xué)習(xí)過程中逐漸體會到，對稱的這種思想它已經(jīng)深入到了物理定律的研究，以及物理學(xué)定律的一些美的體悟，如果能在學(xué)習(xí)的過程中建立有關(guān)對稱的一般概念，并把這種感受應(yīng)用到對物理實際問題的分析中，一定能促進(jìn)物理學(xué)習(xí)和解決有關(guān)中學(xué)物理中的一些問題。

【關(guān)鍵詞】? 對稱性 物理定律 美

【中圖分類號】? G633.7? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】? A ? ? 【文章編號】? 1992-7711（2019）01-270-01

在我初中前的很長一段時間里，我的內(nèi)心是迷茫的，我不知道自己想要從學(xué)習(xí)中得到什么？如果僅僅為了考試中的那些分?jǐn)?shù)，那么在考試之后最終內(nèi)心之中總會泛起一些空蕩蕩的感覺。自從進(jìn)入高中之后，隨著自己對一些事物的認(rèn)識逐漸加深，才慢慢改變了我認(rèn)為我對學(xué)習(xí)的最為深刻的認(rèn)識。這一切都要從對物理學(xué)科中的那些美的體會說起！物理學(xué)研究的對象是自然界的運動變化規(guī)律，因而物理知識首先便體現(xiàn)出與之相對應(yīng)的自然美，如力學(xué)中的天體運行規(guī)律、運載火箭的發(fā)射、翻滾的過山車、波的圖像;熱學(xué)中的晶體的多樣化;光學(xué)中的光的色散、干涉和衍射圖樣、透鏡成像;電學(xué)中的電磁感應(yīng)等等無不體現(xiàn)了物理學(xué)的自然美，給人以美的享受?？梢哉f物理本身的知識體系之中存在很多的美學(xué)因素，物理學(xué)反映的是科學(xué)的真，科學(xué)的真又表現(xiàn)著科學(xué)的美。我想在這里好好談一談，我在學(xué)習(xí)過程中從物理知識中吸取到的對稱美！

第一：對稱的初步認(rèn)識

對稱的概念來源與生活，最初人們從自身的形體結(jié)構(gòu)，從對生活環(huán)境中的植物的花葉，動物形態(tài)等各種天然事物的觀察中，認(rèn)識到普遍存在著一種左右對稱的關(guān)系。這是生活中關(guān)于對稱的基本含義，指的是幾何圖形對于某個中心點左右兩邊的相對對稱。我們家鄉(xiāng)房子的構(gòu)造就是對稱的，左右的窗子，窗子上貼得剪紙等等，這種對稱分布能體現(xiàn)著一種莊嚴(yán)，穩(wěn)重的美感。在我的生活環(huán)境中從小就深刻的在我的認(rèn)識中悄悄的烙下對稱的這種思想。生活中關(guān)于對稱的另一種含義是指勻稱，這也意味著有良好的比例，或者說良好的平衡。很多的藝術(shù)品也更是刻意的追求著良好的比例和平衡給人一種諧和的美感。在物理的學(xué)習(xí)中我們認(rèn)識了晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比如美麗的雪花就是六邊形對稱性最有名的樣品。

第二：對稱性與物理規(guī)律

在學(xué)習(xí)電磁學(xué)的時候，我們知道1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特，在一次講課快結(jié)束時，發(fā)現(xiàn)了通電導(dǎo)線附近的小磁針受力偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。長期以來，人們把電和磁，當(dāng)成兩個獨立的研究對象進(jìn)行處理，奧斯特的這一驚人發(fā)現(xiàn)使得法拉第從對稱性出發(fā)產(chǎn)生了一連串的思考：這一現(xiàn)象的逆效用是否存在呢？既然通電導(dǎo)線可以產(chǎn)生磁場，那我們能不能用磁鐵使導(dǎo)線中產(chǎn)生電流呢？在高中電磁學(xué)的學(xué)習(xí)中我們知道，在1831年11月24日，法拉第向英國皇家學(xué)會報告了整個電磁感應(yīng)的實驗情況，法拉第這一劃時代的發(fā)現(xiàn)，找到了把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方法，開創(chuàng)了電氣化時代，對整個人類社會產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。而這一切都跟對稱性有很大的關(guān)系，當(dāng)我在課文中學(xué)習(xí)了磁場變化產(chǎn)生電場，電場變化產(chǎn)生磁場，這一塊的知識時。我由衷的為領(lǐng)略到物理定律中的對稱美而感到自豪！

我們都知道電子帶負(fù)電荷，學(xué)習(xí)帶電粒子在磁場中的運動時，帶電粒子向那個方向偏轉(zhuǎn)便跟它帶電荷種類有關(guān)?？墒钱?dāng)我在擴(kuò)展閱讀時，學(xué)習(xí)到物理學(xué)家狄拉克發(fā)現(xiàn)自己的方程有兩個解，一個解對應(yīng)的是普通的帶負(fù)電的電子，它的總能量是正的;另一個解對應(yīng)的粒子的能量是負(fù)值，并且兩種能量態(tài)的分布是完全對稱的。所以狄拉克從對稱性出發(fā)，大膽預(yù)言，一定還存在一種質(zhì)量與電子完全相同，電量也相等但是卻帶正電荷的粒子，這種粒子被稱為“正電子”。這個預(yù)言在1932年被科學(xué)家借助云室得到了證實。

第三：中學(xué)物理中兩種典型的對稱

在物理學(xué)中，對稱性主要體現(xiàn)在物理現(xiàn)象的空間和時間性質(zhì)的描述上，在學(xué)習(xí)的過程中我覺得有以下幾種典型的對稱值得欣賞。

1.鏡像對稱：例如我們在初中學(xué)習(xí)的平面鏡成像，鏡子前面的物體和鏡子里面的虛像，就是一種鏡像對稱。我們就是利用這種對稱性來給平面鏡成像進(jìn)行作圖的。我覺得類似的還有高中學(xué)習(xí)動量時，假如一個光滑的小球斜射到堅硬的墻壁上，與墻壁發(fā)生彈性碰撞，那么這個小球好像是從在鏡中的像直接射出去的，小球的反彈路徑的反向延長線與入射路徑對于墻面來說就是鏡面對稱的。而在學(xué)習(xí)電場中的知識時，我們也借用鏡像對稱的原理來處理點電荷和附近無限大導(dǎo)體之間的電場問題。

2.中心對稱：相對于某個位置的一種對稱性，比如單擺或者彈簧振子的運動，還有勻速圓周運動和楊氏雙縫干涉實驗的圖像。

第四：對稱性在我們學(xué)習(xí)物理中的應(yīng)用

1.它能夠指導(dǎo)我們學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理知識上最突出的功能就是啟發(fā)直覺思維，許多問題，有時候不必去作論證，就可以借助對稱性直接作出判斷。

2.利用對稱性思想巧妙解題，經(jīng)?？梢允盏交y為易，化繁為簡的奇效。尤其是一些力學(xué)中的平衡問題。

3.時間反演，我們知道拍電影的時候，讓一個演員從高墻上躍下，倒著放映時，就會表現(xiàn)出這個演員有絕頂?shù)妮p功，好像他可以輕而易舉地從地面上一躍而起，反身跳上高墻。所以我們在學(xué)習(xí)運動學(xué)時，可以把一個末速度為零做勻減速直線運動物體，看成是一初速度為零的勻加速直線運動。

總結(jié)

我認(rèn)為應(yīng)該在學(xué)習(xí)中體會到物理中美的愉悅功能，使學(xué)生好學(xué)，樂學(xué)，培養(yǎng)興趣。在我們的物理課程中，蘊含著豐富的審美對象有待我們?nèi)ド钊胪诰颉Ｈ绻茉趯W(xué)習(xí)過程中發(fā)掘出物理知識的美，就會引起我們無限的遐思，體驗愉悅的情感，將會十分有助于物理學(xué)習(xí)。從此出發(fā)我認(rèn)為有必要探究物理之美。