《2021-2022学年高二物理竞赛课件：对称性和守恒定律.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2021-2022学年高二物理竞赛课件：对称性和守恒定律.pptx（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、对称性和守恒定律一、对称性和守恒定律一、对称性和守恒定律 动量、能量和角动量守恒定律，基本上都是从牛动量、能量和角动量守恒定律，基本上都是从牛顿定律顿定律“推导推导”出来的，但是这些守恒定律比牛顿定出来的，但是这些守恒定律比牛顿定律有着更广泛的适用范围。这些基本量是和自然界的律有着更广泛的适用范围。这些基本量是和自然界的普遍属性普遍属性时空对称性联系在一起的时空对称性联系在一起的。对称性对称性又叫不变性：如果能对一个事物施加某种变换，又叫不变性：如果能对一个事物施加某种变换，并且变换以后的情况与原来的完全相同，则这个事物并且变换以后的情况与原来的完全相同，则这个事物对于该种变换是对称的或不变的
2、。对于该种变换是对称的或不变的。物理定律具有空间均匀性即空间平移对称性、空物理定律具有空间均匀性即空间平移对称性、空间各向同性即空间转动对称性、时间均匀性即时间平间各向同性即空间转动对称性、时间均匀性即时间平移对称性移对称性。对对称性和守恒定律称性和守恒定律 表明小球对圆心的角动量保持不变。表明小球对圆心的角动量保持不变。实验：实验：质量为质量为m的小球系在的小球系在轻绳的一端，绳穿过一竖直轻绳的一端，绳穿过一竖直的管子，一手握管，另一手的管子，一手握管，另一手执绳。执绳。实验发现：实验发现：则则解释：解释：作用在小球上的作用在小球上的有心力有心力对对力心力心的力矩为零，的力矩为零，故小球的角
3、动量守恒。故小球的角动量守恒。角动量守恒定律可导出行星运动的开普勒第二定律：角动量守恒定律可导出行星运动的开普勒第二定律：rLv S m行星绕太阳的运动：行星绕太阳的运动：作用在行星上的万有引力（有心力）对太阳（力作用在行星上的万有引力（有心力）对太阳（力心）的力矩为零，因此，行星在运动过程中，对太阳心）的力矩为零，因此，行星在运动过程中，对太阳的角动量保持不变。的角动量保持不变。例例 锥摆的角动量锥摆的角动量对对O点点：合力矩不为零，角动量变化。合力矩不为零，角动量变化。对对O 点点：合力矩为零，角动量大小、方向都不变。合力矩为零，角动量大小、方向都不变。（合力不为零，动量改变！）（合力不为
4、零，动量改变！）OlO 锥摆锥摆m 星云具有盘形结构：星云具有盘形结构：pc 秒差距，秒差距，1pc=3.086 1016m旋旋转转的的星星云云解：解：例例 发射宇宙飞船去考察一质量发射宇宙飞船去考察一质量m1半径半径 R 的行星，当的行星，当飞船静止于距行星中心飞船静止于距行星中心 4R 处时，以速度处时，以速度 发射一质发射一质量为量为 m2(m2远小于飞船质量远小于飞船质量)的仪器的仪器,要使仪器恰好掠要使仪器恰好掠着行星的表面着陆，着行星的表面着陆，q q角角应应是多少是多少?着着陆陆滑行初速度滑行初速度 v 多大多大?有心力场中，有心力场中，运用角动量守恒和运用角动量守恒和(m1,m
5、2)系统系统机械能守恒定律：机械能守恒定律：例例 当质子以初速当质子以初速v0 通过质量较大的原子核时，原子核通过质量较大的原子核时，原子核可看作不动，质子受到原子核斥力的作用引起了散射，可看作不动，质子受到原子核斥力的作用引起了散射，它运行的轨迹将是一双曲线，如图所示。求质子和原它运行的轨迹将是一双曲线，如图所示。求质子和原子核最接近的距离子核最接近的距离rs。解：解：原子核看作不动，取原子核所在处为坐标原点原子核看作不动，取原子核所在处为坐标原点O。设原子核带电荷量为设原子核带电荷量为Ze，质子受到原子核的静电，质子受到原子核的静电斥力斥力 ，此力始终通过，此力始终通过O点。点。故质子对故
6、质子对O点的角动量守恒，即点的角动量守恒，即式中式中b 是质子在无限远处的初速度是质子在无限远处的初速度v0 的方向线与原子核的方向线与原子核间的垂直距离，间的垂直距离，vs 是质子在离原子核最近处的速度。是质子在离原子核最近处的速度。在无限远处，质子的总能量为在无限远处，质子的总能量为在离原子核最近处，质子的总能量为在离原子核最近处，质子的总能量为（1）飞行过程中，质子的总能量也守恒，即飞行过程中，质子的总能量也守恒，即（2）从方程（从方程（1）和（）和（2）中消去）中消去vs，可得，可得 物理定律的一种对称性就对应一种守恒定律。物理定律的一种对称性就对应一种守恒定律。物理定律在时间平移、空
7、间平移和转动下的不变物理定律在时间平移、空间平移和转动下的不变性要求对物质系统的运动作出限制，这些限制就是系性要求对物质系统的运动作出限制，这些限制就是系统在运动中必须遵守的能量守恒、动量守恒和角动量统在运动中必须遵守的能量守恒、动量守恒和角动量守恒等定律。守恒等定律。守恒量和守恒定律守恒量和守恒定律 有些物理量在质点系内所发生的变化过程中始终有些物理量在质点系内所发生的变化过程中始终保持不变，这些量就是保持不变，这些量就是守恒量守恒量。研究自然现象中显现的各种守恒量和守恒定律，研究自然现象中显现的各种守恒量和守恒定律，是人们认识自然规律的一个重要方面。根据守恒量和是人们认识自然规律的一个重要
8、方面。根据守恒量和守恒定律的分析，可以揭示出基本粒子的属性和粒子守恒定律的分析，可以揭示出基本粒子的属性和粒子间相互作用的性质，而一旦某种对称性遭到破坏（称间相互作用的性质，而一旦某种对称性遭到破坏（称为为对称性破缺对称性破缺），那必是有了新的发现。），那必是有了新的发现。对称性与守恒定律对应表对称性与守恒定律对应表 不可测不可测 性性物理规律变换不变性物理规律变换不变性 守恒定律守恒定律 精确程度精确程度 时间绝对性时间绝对性 时间平移时间平移 能能 量量 精精 确确 空间绝对位置空间绝对位置 空间平移空间平移 动动 量量 精精 确确 空间绝对方向空间绝对方向 空间转动空间转动 角角 动动
9、量量 精精 确确 空间左和右空间左和右 空间反演空间反演 宇宇 称称 在弱相互作用中破缺在弱相互作用中破缺 惯性系等价惯性系等价 伽利略变换伽利略变换 洛伦兹变换洛伦兹变换 时空绝对性时空绝对性 时空四维间隔时空四维间隔 四维动量四维动量 v c 近似成立近似成立 精精 确确 精精 确确带电粒子与中性带电粒子与中性粒子的相对相位粒子的相对相位 电荷规范变换电荷规范变换 电电 荷荷 精精 确确重子与其他粒子重子与其他粒子的相对相位的相对相位 重子规范变换重子规范变换 重子数重子数 精精 确确轻子与其他粒子轻子与其他粒子的相对相位的相对相位 轻子规范变换轻子规范变换 轻子数轻子数 精精 确确时间流动方向时间流动方向 时间反演时间反演 破缺（原因不明）破缺（原因不明）粒子与反粒子粒子与反粒子 电荷共轭电荷共轭 电荷电荷 宇称宇称 在弱相互作用中破缺在弱相互作用中破缺