淺議守恒定律中的物理之道

吳新科

【摘 ?要】守恒定律是物理中的主要規律，其知識的重要性受到廣泛的重視，而守恒定律所蘊含的對稱、和諧、統一更反映了物理認知的客觀規律，具有重大意義。本文通過結合中國古代哲學中對道的追求，將守恒定律所蘊含的對稱、和諧、統一與物理認知和物理知識結合，得出對稱、和諧、統一是物理的客觀規律，即物理之道，期待對通過物理之道的認知，培養學生對物理研究的信心和興趣，進而培養學生將物理之道形成為認識客觀事物的一種信念。

【關鍵詞】高中物理;守恒定律;感悟

人教版必修二第七章第一節《追尋守恒量-能量》的教學目標為①知識與技能：理解所學過的守恒定律的內容，從守恒定律中認識到其本質是不變的;②過程和方法：通過分析推理，認識科學世界的美麗，體會物理公式反映出的自然世界的秩序與規律;③情感、態度、價值觀：通過自然中的守恒定律，體會自然的和諧統一性，發展對科學的好奇心和求知欲。從目標上看，本節的教學要求很高，但實際教學之中由于本節內容與考試似乎聯系不大，因而不少教學設計是采用學生自習，教師粗講的方式進行，教師更關注的是從知識與技能方面進行落實。本節內容，我結合個人體會，覺得對守恒定律的教學目標立足于培養學生的情感態度和價值觀，感受物理之道。

一、以道引入

道德經：“道可道，非常道”（譯文：道，可以用語言進行描述，但道卻不是恒常不變）明確的指出萬事萬物規律是可以被認知的，但這規律卻不是永恒不變的;之后還有一句“天地不仁，以萬物為芻狗”（譯文：天地平等的面對萬物......），天地為什么會不仁，這其實指出了天地萬物的運行具有客觀規律，并不以人的主觀仁義而發生變化，我們所能做的是以主觀能動性去認知他們，并按規律來處事。物理，研究的客觀世界運動發展的最基本規律，這客觀規律與道德經中的道是相一致的。

二、依據守恒定律，窺探物理之道

1.近代研究表明，物理學中守恒定律來源于對稱，物理規律的每一種對稱性通常相應于一種守恒定律。

美國物理學家溫伯格指出：物理學最有希望的探索方向就是透過現象與表層結構的迷霧去發現隱藏在事物深處的對稱。因而物理學的基礎研究在對稱性的指導下變得富有成效和有法可循。這一點可以在很多事例中給予證明。如法拉第在奧斯特發現電流的磁效應后，堅信磁與電之間具有對稱性，并在1822年的一篇日記中記下了“由磁產生電”這一閃光思想，并在這一思想的指引下為之工作了近十年，終于實現了磁生電的夢想，證實了電與磁之間的對稱性，實現了個人的價值，促進物理的發展。

在所知的物理知識中，很多也是涉及了對稱的。杠桿的平衡，平面鏡的成像，磁體的磁感線分布，電荷的正負，等量同種和異種電場線分布等表現了物質的直觀形象在空間上的對稱性;周期、頻率等體現出時間的對稱性;豎直上拋、簡諧運動、圓周運動等存在時間和空間規律的對稱性。正如狄拉克把對稱方法譽為理論物理學的精華，也正是在這一方法的指導下，物理研究有了更明確的方向指引。

2.物理學中的守恒定律正是自然和諧的體現。哥白尼在和諧的思想下提出了日心說，在哥白尼看來，托勒密的地心說天文體系太繁瑣、復雜，而且太陽系繞地球的運動并不是勻速圓周運動，這不符合和諧的圖式，于是提出了日心說，將宇宙中心轉移到了太陽，使天體運動更簡潔，關系更和諧;同樣開普勒堅信世界是和諧的，復雜中必定蘊藏著簡單，宇宙一定是一首和諧的樂曲，在這一信念的指引下，他甘于生活清苦，花費十余年終于總結出天體運動的三大運動定律。當然從知識上看，地心說固然不對，但日心說也不是萬能的，如果離開了太陽系，日心說也會存在著問題，而地心學說在地月系或者在地球和衛星系中卻是成立的。從中可以發現，一種新理論的提出，并不是全盤否定原有的知識，而更多的是對原有知識的一種包容：原有知識變為新知識在某種條件下的體現，這正體現了動態、相對、辯證的統一。

在物理知識方面體現和諧的方向也不少，如勻速運動，簡諧運動，晶格形成的空間點陣，原子內部電子的殼層分布等，又比如熱現象從微觀上分析單個分子的運動完全是雜亂無章的，但從宏觀上分析，大量分子集體運動卻遵循統計規律：各個方向運動出現的機會是均等的，這體現了隨機與規律間的和諧。

3.物理學中守恒定律是自然統一規律的體現。早在1860年前能量守恒定律就得到科學界普遍的認可，能量守恒定律揭示了自然中各種不同的運動形式并不是相互孤立的，而且揭示了不同形式運動之間發生相互轉化時的數量關系，成為自然中的一條偉大的運動定律，將力、熱、電、光、原子進行聯系統一，也將物理、化學、生物進行聯系統一。統一是物理不變的追求，牛頓由蘋果的落地追尋天上地下力的統一而發現了萬有引力定律;波粒二象性將粒子和波動統一起來;原子、分子結構理論將宇宙萬物統一于同一本源，質能方程E=mc2把質量、能量、實物和場統一起來，正是這些統一，讓人們更好的認知世界。

在研究問題過程中，統一的思想同樣讓人著迷。“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”在不同的視角下對問題將會有不同的看法，但關鍵的是站在更高的立場才能更加完整的認知，那一定是以統一的觀點;在討論在地球表面的上下之分之時，也許不同地方的人會有不同的觀點，認為自己的頭在上，腳在下，即南北極的上下就會成了相反，但這并不是重點，我們要做的是統一它們：指向地心為下，而這統一的思想中蘊藏著偉大的規律：萬有引力定律。現代物理學家已不是被動協調不同參考系中的觀測數據，而是自覺去探索不同參考系中物理量、物理規律之間的變換關系，從變換關系中找尋出統一的規律，從而把握物理世界更深層次的奧秘。愛因斯坦正是這一方面的典范，他的相對論正是將宏觀運動和微觀運動進行統一，而也正是在這一思想的指引下，愛因斯坦花費了近30年時間孜孜不倦的追尋“引力、電場力、弱力、強力”的統一理論，期待著用一種理論就可以將它們進行描述，雖然最終愛因斯坦并沒享受成功的喜悅，但他卻后人以啟示，如1967年溫伯格等人便是在他的啟示下，成功的提出了弱、電相互作用的統一理論模型。可見統一將會是物理學家永恒的追求。

三、道之感悟

易經：易有太極，太極生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦;又如道德經：道生一，一生二，二生三，三生萬物。我們所面對的宇宙萬物是多樣變化的，但其中蘊藏的規律卻是可以被認知的，我們現在所做也許可沿著“萬物→八卦→四象→二儀→太極”這一過程進行，最終實現揭示宇宙萬物的規律。在這條漫漫的探索之路上，“二儀←太極”是中國古代重要的哲學思想，在今天一樣具在重要的指導作用，物理守恒定律所反映的對稱、和諧、統一思想與這一哲學思想其實是相通的。因此對稱、和諧、統一成了物理的道。

物理知識隨時間推移也許會不斷變化，而學生經學校考試之后也許對物理知識也許很快就會慢慢忘記，那么物理留給學生的除了物理的難學的感覺之外，也許更應留給他們的是物理文化，是永恒的物理之道。因而對于本節的教學，也許很值得教師去思索、去設計、去創新。我在本節教學之中除去常規的教學之外，另外專設了一個課外探究專題：物理、哲學和宗教。依據以下問題進行探討：①什么是哲學、宗教？物理哲學和宗教三者的排列關系是怎樣的？②什么是道？物理人士眼中的道是什么？③回眸物理學家的人生歷程，感受他們的信念乃至他們的信仰;④略談對當前科學發展觀的想法。也許多了本部分專題的教學，在課時上多花費了不少時間，但這是一種將物理真正傳導給學生的一種嘗試，更是對學生科學素養培養的一種努力，從課堂反應和課后學生情緒來看，這種嘗試是非常值得的。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。自然規律是客觀存在，而發現之旅卻將有對稱、和諧和統一相伴。我們立足于此道，培養興趣，形成信念，甚至形成自己的信仰，必將發現宇宙終極之道。

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（廣東省東莞實驗中學，廣東 東莞 523120）