2019-2020学年度沪教版选修3-5 第一章1．4美妙的守恒定律 课件（共58张PPT）
文档属性
| 名称 | 2019-2020学年度沪教版选修3-5 第一章1．4美妙的守恒定律 课件（共58张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 5.1MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 沪科版 | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2020-02-11 22:35:09 | ||
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文档简介
(共58张PPT)
本章共1讲
1.4美妙的守恒定律
由简单到复杂，由感性到理性，由具体到抽象，初步理解关于对称性的基本概念，认识对称性思想方法的重要意义。
既是对4－6章的深化，又是过渡到相对论的桥梁。
对称性的概念最初来源于生活：动物、植物、建筑、文学艺术……
药物设计应用举例：一种新开发的用于磁共振成像的水溶性造影剂，避免其中金属原子对人体的潜在危害。
一. 物理学中的对称性
空间对称性
1.空间旋转对称
对绕 O 轴旋转任意角的操作对称
对绕 O 轴旋转 2? 整数倍的操作对称
对绕 O 轴旋转 ?/2 整数倍的操作对称
若体系绕某轴旋转 2? ? n 后恢复原状，则称该体系具有 n 次对称轴。
物理定律的旋转对称性——空间各向同性
（空间各方向对物理定律等价，没有哪一个方向具有特别优越的地位）。
物理定律的数学形式在旋转操作中保持不变。
实验仪器方位旋转，实验结果不变。
2.空间平移对称
二维空间：
17种不变元结构，17个不同的二维空间群。
三维空间：
230种不变元结构， 晶体有230种晶胞，任何晶体的空间点阵一定属于这230个空间群。
晶体空间点阵理论－固体理论的重要支柱
物理定律的平移对称性——空间均匀性
（空间各位置对物理定律等价，没有哪一个位置具有特别优越的地位。）
物理定律的数学形式在平移操作中保持不变。
物理实验可以在不同地点重复，得出的规律不变。
3.空间反射对称（镜象对称、左右对称、宇称）
相应的操作是空间反射(镜面反射) 。
左右对称与平移、旋转不同：
（例如手套、鞋）
时间对称性
2.时间反演对称性（t ? - t 的操作、时间倒流）
将无阻尼的单摆（保守系统）拍成影片，将影片倒着放，其运动不会有任何改变——保守系统具有时间反演对称性。
其它对称性举例
? 分形结构：具有整体与部分的自相似性
2.置换对称性（联合变换）
荷兰画家埃舍尔（M.C.ESCHER）的骑士图和猛兽图对镜象反射加上黑白置换和必要的平移操作才构成对称操作。
黑白－对应于原子磁矩的正反取向－描述磁有序结构对称性－磁空间群
黑白－更多颜色－n维对称群－描述准周期结构
二、对称性原理
例1.根据对称性原理论证抛体运动为平面运动。
例2.根据对称性原理解释足球场上的“香蕉球”
例3.铅笔的倾倒
“猛然打开了科学中一个黑暗领域的大门。”
——法拉第
例4.奥斯特实验
条件－
导线、磁针均垂直于镜面
结果－
磁针偏转，与镜面平行。
镜面内右手螺旋法则不成立。
马赫的困惑：
解释：磁针磁性是安培分子电流形成的，条件中存在平行于镜面的因素。
例5.长直密绕载流螺线管内磁感应线的形状
三、对称性与守恒定律
运用于物理学：
物理学中存在着许多守恒定律,如能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒、奇异数守恒、重子数守恒……这些守恒定律的存在并不是偶然的，它们是自然规律具有各种对称性的结果。“对称性”是凌驾于物理规律之上的自然界基本规律。
2、对称性与守恒定律（不严格证明，只建立联系）
例1.时间平移对称性——能量守恒定律
热力学第一定律—能量守恒—永动机不能制造成功
则永动机可以制造成功，违反能量守恒定律，
说明能量守恒定律与时间平移对称性相关联。
例2.空间平移对称性——动量守恒定律
复习：动量守恒来源于系统内力矢量和为零，
例3.空间旋转对称性——角动量守恒定律
复习：角动量守恒来源于系统内力矩矢量和为零
时间平移对称性
空间旋转对称性
空间平移对称性
动量守恒定律
角动量守恒定律
能量守恒定律
练习：将守恒定律与其相关的时空对称性连接起来。
教材 149页 表7.2-1 对称性与守恒定律对应关系
四. 对称性的自发破缺
例2.弱作用中宇称不守恒
宇称守恒——与微观粒子的镜象对称性相联系的守恒定律。强作用下宇称守恒得到实验证实。
1956年，李政道 杨振宁为解决“? - ? ”难题，
提出弱作用中宇称可以不守恒 。
1957年，吴健雄在10-2 K 下做 60Co ? 衰变实验，用核磁共振技术使 60Co 核自旋按确定方向排列，观察 ? 衰变后的电子数分布，发现无镜像对称性 —— 证明了弱作用的宇称不守恒性。李政道 杨振宁获1957年诺贝尔物理奖。
2.对称性破缺与自然界的进化
宇宙起源大爆炸说：
宇宙极早期（完全对称统一）——体积膨胀，温度降低（对称破缺），产生时空——粒子、原子 ——物质。
对称性破缺的机制：
真空的性质？前沿课题。
时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称性自发破缺的产物。
五.对称性思想方法的重要意义
2.对称性是现代物理中重要的思想方法
3.对称性体现物理学简单、和谐、统一的审美原则
美学在科学中的角色，是“纤细的筛子”，成为阐明和误解之间、讯号与杂讯之间的仲裁。 ---彭加勒
物理学中美的概念：
现象之美（彩虹、行星轨道、原子光谱……）
理论描述之美
（万有引力定律、库仑定律、热力学第一、第二定律……）
理论结构（数学结构）之美
（元素周期表、麦克斯韦方程组、相对论力学、量子力学……）
参考书：1. 《可怕的对称》
（美）阿?热 著 湖南科技出版社 1992年
2. 《定性与半定量物理学》
赵凯华 著 高等教育出版社 1991年
3.《对称、不对称和粒子世界》
李政道著 科学出版社 1991年
4.《杨振宁文录》
杨振宁著 海南出版社 2002年
本章共1讲
1.4美妙的守恒定律
由简单到复杂，由感性到理性，由具体到抽象，初步理解关于对称性的基本概念，认识对称性思想方法的重要意义。
既是对4－6章的深化，又是过渡到相对论的桥梁。
对称性的概念最初来源于生活：动物、植物、建筑、文学艺术……
药物设计应用举例：一种新开发的用于磁共振成像的水溶性造影剂，避免其中金属原子对人体的潜在危害。
一. 物理学中的对称性
空间对称性
1.空间旋转对称
对绕 O 轴旋转任意角的操作对称
对绕 O 轴旋转 2? 整数倍的操作对称
对绕 O 轴旋转 ?/2 整数倍的操作对称
若体系绕某轴旋转 2? ? n 后恢复原状，则称该体系具有 n 次对称轴。
物理定律的旋转对称性——空间各向同性
（空间各方向对物理定律等价，没有哪一个方向具有特别优越的地位）。
物理定律的数学形式在旋转操作中保持不变。
实验仪器方位旋转，实验结果不变。
2.空间平移对称
二维空间：
17种不变元结构，17个不同的二维空间群。
三维空间：
230种不变元结构， 晶体有230种晶胞，任何晶体的空间点阵一定属于这230个空间群。
晶体空间点阵理论－固体理论的重要支柱
物理定律的平移对称性——空间均匀性
（空间各位置对物理定律等价，没有哪一个位置具有特别优越的地位。）
物理定律的数学形式在平移操作中保持不变。
物理实验可以在不同地点重复，得出的规律不变。
3.空间反射对称（镜象对称、左右对称、宇称）
相应的操作是空间反射(镜面反射) 。
左右对称与平移、旋转不同：
（例如手套、鞋）
时间对称性
2.时间反演对称性（t ? - t 的操作、时间倒流）
将无阻尼的单摆（保守系统）拍成影片，将影片倒着放，其运动不会有任何改变——保守系统具有时间反演对称性。
其它对称性举例
? 分形结构：具有整体与部分的自相似性
2.置换对称性（联合变换）
荷兰画家埃舍尔（M.C.ESCHER）的骑士图和猛兽图对镜象反射加上黑白置换和必要的平移操作才构成对称操作。
黑白－对应于原子磁矩的正反取向－描述磁有序结构对称性－磁空间群
黑白－更多颜色－n维对称群－描述准周期结构
二、对称性原理
例1.根据对称性原理论证抛体运动为平面运动。
例2.根据对称性原理解释足球场上的“香蕉球”
例3.铅笔的倾倒
“猛然打开了科学中一个黑暗领域的大门。”
——法拉第
例4.奥斯特实验
条件－
导线、磁针均垂直于镜面
结果－
磁针偏转，与镜面平行。
镜面内右手螺旋法则不成立。
马赫的困惑：
解释：磁针磁性是安培分子电流形成的，条件中存在平行于镜面的因素。
例5.长直密绕载流螺线管内磁感应线的形状
三、对称性与守恒定律
运用于物理学：
物理学中存在着许多守恒定律,如能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷守恒、奇异数守恒、重子数守恒……这些守恒定律的存在并不是偶然的，它们是自然规律具有各种对称性的结果。“对称性”是凌驾于物理规律之上的自然界基本规律。
2、对称性与守恒定律（不严格证明，只建立联系）
例1.时间平移对称性——能量守恒定律
热力学第一定律—能量守恒—永动机不能制造成功
则永动机可以制造成功，违反能量守恒定律，
说明能量守恒定律与时间平移对称性相关联。
例2.空间平移对称性——动量守恒定律
复习：动量守恒来源于系统内力矢量和为零，
例3.空间旋转对称性——角动量守恒定律
复习：角动量守恒来源于系统内力矩矢量和为零
时间平移对称性
空间旋转对称性
空间平移对称性
动量守恒定律
角动量守恒定律
能量守恒定律
练习：将守恒定律与其相关的时空对称性连接起来。
教材 149页 表7.2-1 对称性与守恒定律对应关系
四. 对称性的自发破缺
例2.弱作用中宇称不守恒
宇称守恒——与微观粒子的镜象对称性相联系的守恒定律。强作用下宇称守恒得到实验证实。
1956年，李政道 杨振宁为解决“? - ? ”难题，
提出弱作用中宇称可以不守恒 。
1957年，吴健雄在10-2 K 下做 60Co ? 衰变实验，用核磁共振技术使 60Co 核自旋按确定方向排列，观察 ? 衰变后的电子数分布，发现无镜像对称性 —— 证明了弱作用的宇称不守恒性。李政道 杨振宁获1957年诺贝尔物理奖。
2.对称性破缺与自然界的进化
宇宙起源大爆炸说：
宇宙极早期（完全对称统一）——体积膨胀，温度降低（对称破缺），产生时空——粒子、原子 ——物质。
对称性破缺的机制：
真空的性质？前沿课题。
时空、不同种类的粒子、不同种类的相互作用、整个复杂纷纭的自然界，包括人类自身，都是对称性自发破缺的产物。
五.对称性思想方法的重要意义
2.对称性是现代物理中重要的思想方法
3.对称性体现物理学简单、和谐、统一的审美原则
美学在科学中的角色，是“纤细的筛子”，成为阐明和误解之间、讯号与杂讯之间的仲裁。 ---彭加勒
物理学中美的概念：
现象之美（彩虹、行星轨道、原子光谱……）
理论描述之美
（万有引力定律、库仑定律、热力学第一、第二定律……）
理论结构（数学结构）之美
（元素周期表、麦克斯韦方程组、相对论力学、量子力学……）
参考书：1. 《可怕的对称》
（美）阿?热 著 湖南科技出版社 1992年
2. 《定性与半定量物理学》
赵凯华 著 高等教育出版社 1991年
3.《对称、不对称和粒子世界》
李政道著 科学出版社 1991年
4.《杨振宁文录》
杨振宁著 海南出版社 2002年
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