对称性与守恒定律演示文稿.ppt

自然界中存在多种守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 角动量守恒定律 电荷守恒定律 质量守恒定律 宇称守恒定律等 * 对称性与守恒定律 物理学家梦想对自然作统一的描述 对称性以它强大的力 量把物理学中那些看上去 毫不相关的方面连接起来 点评 * 雪花六角形花样 场离子显微镜下 的针尖图形 一.自然界中的种种对称性 * * * * X x1 -x1 x2 -x2 x3 -x3 镜面 * 二.物理定理的对称性 经过一定的操作后，物理定律的形式保持不变， 称作物理定律的对称性。又叫不变性。 例1 物理定理空间平移的不变性 —在某处作一实验，然后将实验设备（连同影响 实验的一切外部因素）平移到空间的另一地方， 如果初始条件相同，实验将以完全相同的方式进 行，此称为物理定律空间平移的对称性 守恒定律与宇宙中某种对称性相联系 对称性是统治物理规律的规律 * N S N S 它说明空间各处对物理定律是一样的， 称为空间的均匀性 N S N S I I * 例2 物理定理空间转动的对称性 --在某处作一实验，然后将实验设备（连同影响 实验的一切外部因素）在空间转过一个角度， 则在初始条件相同的条件下，实验将以完全 相同的方式进行，这说明物理定律没有因转动而 发生变化。这就是物理学定律对空间转动的对称 性。---空间的各向同性 N S N S I + - I N S * 三.对称性与守恒定律 物理规律的某一种对称性（不变性) 通常都属于一种守恒定律 由分析力学、量子力学 严格证明： 空间平移不变性 对应 动量守恒定律 空间转动不变性 对应 角动量守恒定律 时间平移不变性 对应 能量守恒定律 等等（赵凯华新概念力学中有普物推导） 诺特尔(E.N?ther)定律 * 四.对称性原理 原因中的对称性必然反映在结果中 结果中的对称性至少和原因中的对称性一样多 结果中的不对称性必然出自原因中的不对称性 原因中的不对称性至少 和结果中的不对称性一样多 对称性原理是凌驾于物理规律之上的自然界的一条基本规律 * 例： 均匀带电球面电场的分布 原因--- 球对称性 结果---至少具有球对称性 径向 E E r * 五.物理规律的对称性在物理学中的重要性 1. 对称性对应着守恒定律 若数学上提供一种数学变换（对称) 物理上 应去 寻找 相应的守恒定律 2.对称性提供更深层次的认识 以普遍的对称性为指引 去探索和解决未知的 物理世界 实现理论大统一 或有新的发现 * 例：正电子的预言 狄拉克从他的 Dirac 方程是对称的 预言了 正电子的存在 所以 一种对称性的发现比一种 特定的现象的发现意义还大 对反粒子反物质的探索 与外星人握手要小心噢！ 可怕的对称性 科学家谈物理丛书值得一读 * 根据对称， 物理学的各个分支逐渐走向统一 万有引力 天上的 地上的 声学 热学 光学 电学 磁学 力学 19世纪末 爱因斯坦想 把万有引力和电磁学统 一起来的尝试 由于当 时不知道还有强作用和 弱作用 夭折了 * 万有引力 天上的 地上的 声学 热学 光学 电学 磁学 力学 放射性 弱 核动力 强 20世纪 向大统一 的行进 超弦 是最后吗？ 2004年诺贝尔物理学奖 * 六.自然界中的种种不对称性 有些还是个谜 不断去探索 但可利用 * 1.动植物蛋白质的分子的不对称性 蛋白质是生命的基本物质，它是由多种氨基酸 组成，每种氨基酸都有两种互为镜象的异构体。 丙氨酸的两种异构体 N H C O a、左型（L） N H C O b、右型（D） 用人工合成的方法，总是得到左型和右型各占一半，如用人工合成的蔗糖也是由左、右两型的分子组成。 * 如用人工合成的蔗糖也是由左、右两型的分子组 成。但用种的甘蔗榨出来的蔗糖分子则只有左型 的。现代生化实验确认：生物体内蛋白质几乎都 是由左型蛋白质组成，对高等的生物尤其如此。 有人做过如下 实验：将人工合 成的糖液(含等量 左右型糖分子） 作细菌培养 为什么只剩 下右型的？ 原来为了自己的生 命，动植物只吃与 自己对路的左型蛋 白。 人工合成 的糖液 * 有意思的是：左型蛋白质的动物只能吃左型蛋白质的植物。利用这一点，人们通过生物技术培育出一种右型蛋白质的棉花，棉花害虫是左型的，吃了右型蛋白质的棉花就自然死掉。因此不用打农药，棉花仍长得很好。 右 型 棉 花 如果由于某种原因产生了一只右型猫，它和左型 猫一样活动，