淺析高中物理力學(xué)中的對稱性

劉振華

（恩施土家族苗族自治州高級中學(xué)物理組，湖北 恩施 445000）

經(jīng)濟(jì)社會的蓬勃發(fā)展以及物理技術(shù)在社會各領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用，都提高了人們對物理教育事業(yè)的重視程度。而高中學(xué)生物理成績的高低，則直接影響了高中學(xué)生的高考成績，對高中學(xué)生未來發(fā)展都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。高中物理涉及人們工作生活的方方面面，物理問題更是包羅萬象，應(yīng)用范圍特別廣泛。常見的高中物理學(xué)問題主要包括物理力學(xué)、牛頓定律、曲線運(yùn)動(dòng)等，雖然這些物理學(xué)問題看似比較簡單，彼此之間毫無任何關(guān)聯(lián)性，但是每一個(gè)物理學(xué)問題的解決都必然會用到其他的物理學(xué)知識，對高中學(xué)生物理學(xué)理論知識的實(shí)踐運(yùn)用能力以及靈活變通能力的要求較高。

一、分析對稱性在高中物理力學(xué)問題研究中的積極作用

高中素質(zhì)教育以及新課程標(biāo)準(zhǔn)改革的大背景下，高中物理學(xué)科的教學(xué)模式、教學(xué)理念以及教學(xué)目標(biāo)都發(fā)生了巨大的變化，在要求高中學(xué)生掌握更多物理專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)上，更加重視高中學(xué)生物理素養(yǎng)以及物理實(shí)踐能力的培養(yǎng)。一直以來，力學(xué)部分都是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，也是高中學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的難點(diǎn)，但是因力學(xué)問題在高中物理教學(xué)內(nèi)容中所占比例較大，是高考物理的必考知識點(diǎn)之一，因此，高中學(xué)生必須充分認(rèn)識到學(xué)習(xí)物理力學(xué)相關(guān)知識的重要性，并做好力學(xué)知識的學(xué)習(xí)難度較大的心理準(zhǔn)備，正確并合理利用對稱性的方法和思路來解決物理力學(xué)問題，有利于降低高中物理力學(xué)知識的學(xué)習(xí)難度和提高學(xué)生順利解答力學(xué)問題的幾率。

二、對稱性在高中物理力學(xué)問題研究中的運(yùn)用

（一）對稱性在高中物理力學(xué)物體質(zhì)量問題中的合理使用

高中物理學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生經(jīng)常會遇到各種尋找物體重心的問題，如果問題題目中所提及物體的密度一定和質(zhì)量均勻、形狀也比較規(guī)則，那么這道求物體重心的題目就比較簡單了，答案也比較清晰準(zhǔn)確了，基本可以斷定物體的幾何中心就是該物體重心所在的位置。但是，如果該物體屬于不規(guī)則、不對稱徒刑，那么即使該物體密度不變，那么，該物體的幾何中心和重心不可能重疊，這時(shí)，就需要學(xué)生利用對稱性的方法來層層剝繭的計(jì)算和尋找物體的重心。例如，質(zhì)量分布均勻的圓形鐵棒，若根據(jù)鐵棒重心的位置并與圓形鐵棒的中軸線向垂直的方向，可以利用專門的工具將鐵棒一分為二，成為兩個(gè)一樣粗細(xì)長短的鐵棒，那么，這兩個(gè)鐵棒的重力是多少？基本上所有的學(xué)生都知道想要計(jì)算兩個(gè)鐵棒的重力就需要明確兩個(gè)鐵棒的重心所在的位置，學(xué)生因物理知識以及能力有限，很少甚至不可能在短時(shí)間內(nèi)憑借肉眼來確認(rèn)這兩個(gè)鐵棒的重心，這時(shí)，高中物理老師可以讓學(xué)生反復(fù)讀問題的題目，并根據(jù)問題的題目來畫出相應(yīng)的圖形，利用一邊切割一邊填補(bǔ)的方式來將該問題轉(zhuǎn)化為對稱性問題，不僅可以降低物理問題的解答難度，還可以提高學(xué)生找出問題答案的效率。

（二）對稱性在高中物理力學(xué)特殊碰撞問題中的合理運(yùn)用

高中物理學(xué)中的碰撞問題可以簡答理解為不同的物體或者粒子以不同的速度和狀態(tài)進(jìn)行的碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生相互作用力。根據(jù)高中物理學(xué)相關(guān)定律可以知道，不同物體發(fā)生碰撞時(shí)，會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，可以根據(jù)能量轉(zhuǎn)移的方式將碰撞劃分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩大類型。彈性碰撞過程中，不同物體系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)能并沒有因?yàn)榕鲎捕a(chǎn)生任何細(xì)微的變化，也就是說發(fā)生彈性碰撞的物體系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)能并沒有轉(zhuǎn)化成為別的能量，而非彈性碰撞則與彈性碰撞有著很大的差異性和區(qū)別性，發(fā)生非彈性碰撞物體系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)能總量發(fā)生了變化，大多數(shù)情況下，該物體系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)能會減少，減少部分會轉(zhuǎn)化為其他形式的內(nèi)容，進(jìn)而導(dǎo)致該物體系統(tǒng)內(nèi)部的能量總數(shù)發(fā)生改變。除此之外，還存在一種發(fā)生幾率較小的比較特殊的碰撞類型，如果學(xué)生根據(jù)小球運(yùn)動(dòng)軌跡來尋找問題答案，會在無形之中增加問題解答的難度，但是，如果學(xué)生掌握對稱性相關(guān)知識并利用對稱性來解決該問題，那么這個(gè)問題就會變得簡單。比如，水平方向的一個(gè)比較有彈性的紅色小球被拋向前方光滑平整的墻面，小球被拋出位置o與水平面的實(shí)際距離是h，與墻壁之間的距離是s，紅色小球與墻面的碰撞只是一瞬間的事情，紅色小球在碰到墻面時(shí)的動(dòng)能并沒有減少，在兩者發(fā)生碰撞之后，紅色小球掉落在了離墻面有2s距離遠(yuǎn)的地方，求解紅色小球被拋出時(shí)的原始速度。在該力學(xué)問題中，如果學(xué)生按照紅色小球?qū)嶋H的運(yùn)用軌跡來推算的化，推算步驟較長，會在無形之中增加學(xué)生解答這道問題的時(shí)間，這時(shí)，學(xué)生可以換個(gè)角度和換一種解決方式，利用對稱性的基本原則來將問題轉(zhuǎn)化為平拋運(yùn)動(dòng)，畢竟小球雨墻面發(fā)生碰撞的時(shí)間特別短，加之，小球從始至終的動(dòng)能既沒有減少又沒有增加，兩者在發(fā)生碰撞之后，紅色小球的運(yùn)動(dòng)速度并沒有絲毫的變化，因此，可以將紅色小球被拋出到落地的運(yùn)動(dòng)歸納為物體連續(xù)性的自由落體運(yùn)動(dòng)，從而根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式來得出。

結(jié)束語

高中物理力學(xué)問題中對稱性的靈活運(yùn)用可以降低問題的難度，提高學(xué)生成功解答問題的幾率。因而，高中物理老師應(yīng)積極主動(dòng)的傳授學(xué)生關(guān)于對稱性解題方法的相關(guān)知識，幫助學(xué)生提高對稱性解題方法的熟練使用程度，將原本復(fù)雜難懂的問題轉(zhuǎn)化為簡單具體的問題，實(shí)現(xiàn)高中生物理成績的提高以及高中物理教育事業(yè)的發(fā)展。