對稱性思維在科學發現中的作用及其在物理教學中的運用

尹德利

（北京市東方德才學校 北京 100026）

王金文

（北京五中分校 北京 100009）

對稱性思維也叫逆向思維.科學史上運用對稱性思維作出重大科學發現和發明的例子不勝枚舉.在物理學研究中，運用對稱性思維發現物理規律的典型事例，人們常提起的有兩個，一個是英國物理學家法拉第關于電磁感應現象的發現，另一個是法國物理學家德布羅意（Louis de Broglie，1892～1987年）關于物質波理論的提出.

1820年4 月，丹麥物理學家、化學家奧斯特（Hans Christian Oersted，1777～1851年）發現，通電直導線能使放在附近的小磁針發生偏轉，這說明電流周圍存在著磁場.這一發現打破了當時流行的電和磁毫無聯系的傳統觀念，轟動了整個科學界，掀起了對電磁現象研究的熱潮.

1821年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday，1791～1867年）從對稱性思維出發，認為，既然電流能產生磁場，那么磁場能不能產生電流呢？從此，他開始了10年的實驗研究，終于在1831年發現了電磁感應所遵從的規律.

1905年愛因斯坦提出了光量子理論，成功地解釋了光電效應現象.1923年，法國年輕的物理學家德布羅意認真分析了愛因斯坦的光量子理論，運用對稱性思維，大膽提出了他的物質波理論.他在1929年接受諾貝爾物理學獎時所作的“電子的波動性”的演講中較詳細地談到了提出物質波的思考過程.他說：“人們無法理解，為什么對于光來說，需要有兩種相互矛盾的學說，即波動說和粒子說，為什么原子中的電子只有可能進行某些運動，而按經典概念它應該有無窮多種運動……”，“不能認為光子理論是令人滿意的，因為它是用E＝hν這個關系式來確定光粒子的能量的，其中包含著頻率ν，可是純粹的粒子理論不包含任何定義頻率的因素.”他認為，既然長期被視為波的光還具有粒子性，那么長期被視為粒子的電子是否也具有波動性呢？

通過對光量子理論和玻爾氫原子理論的考察，他大膽地提出了一切實物粒子都具有波動性的觀點，這就是著名的物質波理論.

研究物理學發展史，我們發現，對稱思維作為一種思維方法，早在17世紀，物理學的先驅牛頓就已成功地運用它建立了萬有引力定律.牛頓認為，根據他建立的運動學第二定律，太陽對行星的引力與行星的質量成正比，那么，行星對太陽的引力也應當與太陽的質量成正比，綜合這兩種情況，太陽和行星之間的引力，應當與太陽和行星的質量的乘積成正比.結合同時代惠更斯發現的向心力公式，牛頓成功地推導出了萬有引力定律的數學表達式.

在中學物理教學中，結合物理學史料向學生揭示前輩物理學家的思考過程，是落實新課標三維教學目標，對學生進行科學素養教育的有效途徑.課標教材也是這樣編寫的，但教材對某些物理學史料挖掘得仍然還不夠.比如，無論是人教版選修3－2還是教科版選修3－2教材，都是把奧斯特發現電流磁效應作為法拉第探究電磁感應現象的一個引子.其實，奧斯特發現電流磁效應的意義遠不止此.

眾所周知，奧斯特發現電流磁效應的消息傳到法國以后，安培同樣運用對稱性思維開始了他的電磁學研究并做出了一系列驚人的發現.只不過，安培深受當時物理學超距作用觀點的影響，是從另一條途徑——探究磁場對電流的作用力開始研究的.安培的思考過程是這樣的：電流既然能使附近的小磁針發生偏轉，說明電流對小磁針發生了力的作用，根據牛頓第三定律，小磁針（磁場）也應當對通電導線（電流）發生力的作用，這種力遵從什么規律呢？這就是安培將要研究的科研課題.隨后的實驗和理論研究，使他迅速做出了一系列重大的科學發現，被麥克斯韋譽為“電學中的牛頓”.

新課改倡導科學探究的教學方式，科學探究的第一個要素是發現問題、提出問題.如果教材編寫者能把安培的這種思維過程作為問題提出來，對于教師正確理解教學內容，落實科學方法教育，培養學生發現問題、提出問題的能力無疑是很有好處的.

1 李艷平，申先甲.物理學史教程（第1版）.北京：科學出版社，2003