物理学科中的对称美及其教学

物理科学中存在着对称美,追求物理科学中的对称关是物理学的研究方法之一。本文指出了在物理学科中存在着的几种对称美;在求解物理问题过程中所使用的几种对称性方法;以及在物理教学中如何培养与训练学生物理对称美思维能力的几种途径。

第2 6卷总第 3 9期 220 0 8年第 l 2期 (半月)上

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物理湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南省长沙市 4 0 8 101

摘

要：物理科学中存在着对称美，求物理科学中的对称关是物理学的研究方法之一。文指出了在物理学科中追本

存在着的几种对称美；求解物理问题过程中所使用的几种对称性方法；在以及在物理教学中如何培养与训练学生物理对称美思维能力的几种途径。

关键词：称美；称性方法；称美思维能力；限网络对称法对对对无

中图分类号： 6 3 7 G 3 .

文献标识码： A

文章编号：0 3 6 4 (0 8 1 ( ) 0 2— 3 10— 1 82 0 )2 S一 0 7

众所周知，理科学中存在着美，理科学物物

1 2运动的对称美 .

活动与审美活动有着密切的联系。学史学家库科恩曾说过：美的概念在核对结果和发现新规律“

运动的对称美一般体现在运动的空间轨迹

和运动参量随时间变化的函数图像上。如，例一个质点在竖直上抛运动的上升和下落阶段，设若质点在 t。时刻到达最高点 H。显然，时间、。从空间上说，点的速度大小、速度大小、量大质加动小、动能等都分别关于 t和 Ho。对称。如，体又物沿光滑斜面的上滑和下滑阶段，于最高点对关称；上抛运动和小球沿光滑圆轨道内侧的运斜

中被证明是非常宝贵的。[’妇例如，因斯坦提 '爱出的科学思想，有许多就是出于美学而不是出于逻辑的考虑，理学家霍夫曼就曾这样来评价：物

“因斯坦的方法，然以渊博的物理学知识为爱虽基础，但是本质上是美的、直觉的。[”21物理学科中的对称美

对称美是自然界广泛存在的一种美，显示它出物质世界的和谐、优美和均衡。悠万物中所悠表现出来的空间对称性、间对称性、时空无时与

动，于过其最高点的竖直线对称；关

简谐运动也是关于其平衡位置对称，等等。1 3电路的对称美 ..

.

关的更复杂的对称性等，一不给人以美感，无是一

电路中既有场的问题也有实物的问题，中其

个能愉悦人身心的可感现象。为研究物质世作

存在的对称美亦很多。如，例直流电路中的对称美具体表现在：电流的流向为轴，对称支路以各的电压相等；电流横向各对称点的电势相等， 由

界最基本运动、构及其规律性的物理学科， 结由于它是借助于一系列概念、规律及判断和推理表达出来的，过实践检验或逻辑证明的系统知经

于这些对称点间没有电势差，可以将各对称点则短接或开路，不会对原电路产生影响。均14光路的对称美 .

识，自然会渗透着对称性，在着对称美。如，存例麦克斯韦方程组不但以完美而对称的形式描述

了电磁场的普遍运动规律；定了电磁运动理奠论，且又使科学家通过该方程组，而以独具特色的方式体验到了美的深刻涵义以致被劳厄称为“学上真正完美的对称形式。【美” 31 1物理模型的对称美 .

光是一种电磁波，有场的性质；又是一具它种粒子——光子。在几何光学中，由于各种物质实体的存在，路又会表现出实物的性质，有光具实物的对称之美，尤其在平面镜成像中得到了这

充分的体现。2物理学科中的对称性方法

物理模型常常具有对称美，它在空间也常常

呈现对称分布。如，于一个均匀球体，例对它相对于中心呈对称分布，以，球心就是它的重心。所其

对称美为物理学的研究提供了方法论的原则，许多物理学家正是通过对称美这一方法论原则，出了重大发现。拉克常说：一种正确的做狄“理论应该是美的”他正是运用对称原理预言了。正电子的存在。物理科学研究中的对称性方法通常分为四种：象对称法、形对称添补法、对称平衡法和数学对称法 (变换不变性方法)4。初电动 L最]

也就是说，当它与别的物体吸引时，心就是引球力中心；球体均匀带电，研究球外空间的电若则

场分布时，将全部电荷都集中在球心来处理。

可一

个带电的导体球，电荷在球面上分布处处相

同，正是导体球具有对称美的结果。这