自然界中的守恒定律

自然界中的守恒定律

一、设计思想

1.以机械能守恒定律、动量守恒定律在“时间平移”、“空间平移”及“空间转动”交换下

其机械能、动量保持不变的事实阐述守恒与不变的关系。从而进一步理解所学过的守恒定律内容。

2.对比自然界中的对称美的图片和物理定律的对称性，并分析对称性与守恒定律的相关

性，激发学生的兴趣。

3.对称与守恒定律之间的对应关系已成为现代人们探索自然规律的基本出发点，据此了解

和学习科学家探索真理的方法

二、课标要求及教学对象分析

了解守恒与不变的含义，理解以前学过的守恒定律。知道对称和守恒的对应关系，且从中体会守恒与对称之间的和谐统一。本节内容有一定的综合性，用相对论的观点进一步说明守恒定律，对学生有一定的难度，因此首先讲清对称：自然中的对称、物理学中的对称，再说明期间对称和守恒的关系从而认识科学家利用其关系探索新规律的方法。三、教学目标

1知识技能

理解所学过的守恒定律内容，从守恒定律中认识到其本质是某种物理量保持不变。

2 过程与方法

通过分析推论，认识科学世界的美丽，体会物理公式反映出的自然界的秩序与规律。

3 情感态度与价值观

通过自然界中的守恒定律，体会自然界的和谐统一性，发展对科学的好奇心和求知欲。

四、重点与难点

认识守恒定律的本质，守恒与对称的对应关系，并了解根据对称和守恒的对应关系探索自然规律的方法。

五、教学过程

新课引入

问：我们刚学过动量守恒定律以前还学过哪些守恒定律？

答：能量守恒定律、机械能守恒定律、电荷守恒定律

师：这些守恒定律都有着重要的应用，那么科学家是怎样探索这些规律的呢？

自然界是瞬息万变的，而在这千变万化中寻找其中的不变规律是科学家的目的。今天我们一起学习和了解科学家探索守恒定律的方法。

新课

1守恒与不变

问：还记得机械能守恒定律的条件吗？

学生：只有重力（或弹力）做功

问：在重力做功的过程中什么在变？什么量不变？

学生讨论思考回答时间在变、动能、势能在变，总机械能不变

师：若把上述的一段时间称时间的平移，动能、势能、机械能可称作用量，机械能称守恒量，那么机械能守恒定律就是机械能在时间、动能、势能的变化中保持不变的那个量即守恒量！

科学家麦克斯韦通过大量实验得出的方程组在“时间平移”、“空间平移”及“转动交换下其形式保持不变，这意味着无论在今天还是在明天，无论在这里还是在那里，无论实验

装置取何种方向，通过实验所得到的基本规律是一样的，恒定的，并指出时间空间的相对性。刚学过的动量守恒定律，系统在发生碰撞前后不变的量是动量，即动量守恒。

结论：守恒定律本质上是某种物理量保持不变。这就是守恒与不变的关系

观察课本图1-5-1 讨论（物理的美反映的是一个真实的世界，而艺术的美可以虚幻） 自然界中的四大基本守恒定律：能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律、电荷守恒定律中能量守恒是最重要的守恒形式。

师：应用守恒定律可以判断某个变化是否可能发生，但可不必考虑整个过程的具体细节，给解决问题带来很大方便。那么科学家是怎样探寻各种守恒定律的呢？

2 守恒与对称

师：科学家在研究中发现对称与守恒定律之间存在对应关系，现代物理学可以证明对称与守恒定律是密切相关的。

什么是对称？通常指左右对称，如人体，各种建筑，特别是古代建筑、花瓶等等。看1-5-2几个图

广义的理解，一物体发生一平移后若仍和原来相同，这物体就具有空间平移对称性，如：一长直线。若使物体绕某一转动轴转动一个角度后仍与原来相同这叫做转动对称，如球体。（有级次之分 解释）

人们对于对称美的体验，来自客观物体的外形的对称（还有哪些？举些例子）

自然界中的对称美

（展示图片）

这些各种对称物给人以匀称、均衡、流畅的感受。

物理学中的对称美

物理学家追求的是所研究的宇宙结构的对称性和物质运动的对称性

物理规律的对称性有：物理定律的空间平移对称性（物理实验从这里到那里其规律都一样）、物理定律的转动对称性（将实验整个转个角度规律一样）、物理定律的时间平移对称性（什么时间开做的实验结论都一样）。

物理概念的对称性有：正电子和负电子、粒子与反粒子、南北磁极、平面镜成像、电场与磁场、光的可逆性等等。

物质结构、运动形式上的对称美有：作用力与反作用力、动量定理与动能定理的对称、电流产生磁场与电磁感应的对称、万有引力定律与库仑定律的对称等等，均体现了简洁、统一和谐的美。

无论是自然界的对称还是物理学中的对称都是一样的美，而每一种对称性（即不变性）在物理学中通常都相应于一种守恒定律。例如能量守恒对应着某种时间变换中的不变性，动量守恒则是对应着某种空间变换下的不变性。

德国杰出女科学家若特研究事实证明：作用量的每一种对称性都对应着一个守恒定律，有一个守恒量，对称和守恒这两个重要概念是紧密地联系在一起的。

现代物理更表明守恒定律来源于对称。这就告诉科学家在新的领域中的守恒定律，守恒量，由此确定其中的对称性获得对称量。反之通过作用量的对称变换可以知道相应的守恒定律，守恒量。

前面提到的机械能守恒定律中，重力做功的过程只有机械能这个量是对称的，因而它是守恒的。事实上一些科学的重大发现正是基于“对称观点”。

对称性与守恒定律之间的对应关系已成为人们探索自然规律的基本出发点。

六阅读思考

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七板书

第五节自然界中的守恒定律

1 守恒与不变

守恒定律本质上是某种物理量保持不变。这就是守恒与不变的关系