高中物理力學問題中對稱性的應用研究

趙炳睿

【摘要】高中素質(zhì)教育改革的深入，加快了高中物理教學模式改革創(chuàng)新的速度，促使高中物理老師不斷創(chuàng)新物理課堂教學環(huán)節(jié)和教學手段。力學問題是高中物理教學內(nèi)容的主要內(nèi)容，直接影響了高中學生物理成績以及高考總成績。通過分析加強高中物理力學問題中對稱性研究力度的重要性和必要性，介紹對稱性對研究和解決高中物理力學問題的積極作用，為高中生深入探究物理奧秘奠定基礎。

【關鍵詞】對稱性 高中物理 力學問題 應用經(jīng)濟

社會的蓬勃發(fā)展以及物理技術在社會各領域中的廣泛運用，都提高了人們對物理教育事業(yè)的重視程度。而高中學生物理成績的高低，則直接影響了高中學生的高考成績，對高中學生未來發(fā)展都產(chǎn)生了深遠影響。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，應用范圍特別廣泛。常見的高中物理學問題主要包括物理力學、牛頓定律、曲線運動等，雖然這些物理學問題看似比較簡單，彼此之間毫無任何關聯(lián)性，但是每一個物理學問題的解決都必然會用到其他的物理學知識，對高中學生物理學理論知識的實踐運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問題研究中的積極作用

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

二、對稱性在高中物理力學問題研究中的運用

1.對稱性在高中物理力學物體質(zhì)量問題中的合理使用。高中物理學習過程中，學生經(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，就需要學生利用對稱性的方法來層層剝繭的計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，成為兩個一樣粗細長短的鐵棒，那么，這兩個鐵棒的重力是多少？基本上所有的學生都知道想要計算兩個鐵棒的重力就需要明確兩個鐵棒的重心所在的位置，學生因物理知識以及能力有限，很少甚至不可能在短時間內(nèi)憑借肉眼來確認這兩個鐵棒的重心，這時，高中物理老師可以讓學生反復讀問題的題目，并根據(jù)問題的題目來畫出相應的圖形，利用一邊切割一邊填補的方式來將該問題轉化為對稱性問題，不僅可以降低物理問題的解答難度，還可以提高學生找出問題答案的效率。

2.對稱性在高中物理力學特殊碰撞問題中的合理運用。高中物理學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)進行的碰撞，進而產(chǎn)生相互作用力。根據(jù)高中物理學相關定律可以知道，不同物體發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生能量的轉移，可以根據(jù)能量轉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)部的動能并沒有因為碰撞而產(chǎn)生任何細微的變化，也就是說發(fā)生彈性碰撞的物體系統(tǒng)內(nèi)部的動能并沒有轉化成為別的能量，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)的動能會減少，減少部分會轉化為其他形式的內(nèi)容，進而導致該物體系統(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，如果學生根據(jù)小球運動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，如果學生掌握對稱性相關知識并利用對稱性來解決該問題，那么這個問題就會變得簡單。比如，水平方向的一個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與水平面的實際距離是h，與墻壁之間的距離是s，紅色小球雨墻面的碰撞只是一瞬間的事情，紅色小球在碰到墻面時的動能并沒有減少，在兩者發(fā)生碰撞之后，紅色小球掉落在了離墻面有2s距離遠的地方，求解紅色小球被拋出時的原始速度。在該力學問題中，如果學生按照紅色小球?qū)嶋H的運用軌跡來推算的化，推算步驟較長，會在無形之中增加學生解答這道問題的時間，這時，學生可以換個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化為平拋運動，畢竟小球雨墻面發(fā)生碰撞的時間特別短，加之，小球從始至終的動能既沒有減少又沒有增加，兩者在發(fā)生碰撞之后，紅色小球的運動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動歸納為物體連續(xù)性的自由落體運動，從而根據(jù)相關的計算公式來得出小球被拋出時的速度。

3.對稱性在高中物理力學拋體運動問題的合理使用。拋體運動可以簡單理解為是將某一物體拋向空中，只考慮此過程中物體的重力因素，而不用考慮影響物體運動的其他因素，拋體運動又分為豎直上拋運動等三大類型，豎直上拋運動過程中，被拋出的物體運動軌跡會呈現(xiàn)出較強的對稱性，如豎直上拋運動中，物體最開始的速度與落地時的速度是一致的，此外，物體上拋和下降所花費的時間也是相同的。曲線運動是拋體運動的另一類型，也是學生學習的難點。學生解答題目的思路以及解答題目的方法都會直接影響學生解答問題的效率，正確的解答思路和解答方法會讓原本復雜的問題變得簡單，同時，錯誤的解答思路和解答方法則會讓原本比較簡單的問題變得復雜難解。比如，一個白色小球以每分鐘20米的速度開始豎直上拋運動，該物體上拋運動是在理想狀態(tài)下進行的，因此，不用考慮白色小球在運動過程中遇到的空氣阻力等因素，求解白色小球運動到最高點時會花費多長時間。在解決這一物理學問題的時候，部分學習受原有解題思維的影響，大多會選擇利用列舉方程的方式來尋找問題答案，雖然這種解題方法也可以讓學生順利計算出答案，但是解題步驟較為繁瑣，降低了學生解答問題的效率。此時，物理老師可以鼓勵學生使用對稱性的方法來解決這道題。

三、小結

高中物理力學問題中對稱性的靈活運用可以降低問題的難度，提高學生成功解答問題的幾率。因而，高中物理老師應積極主動的傳授學生關于對稱性解題方法的相關知識，幫助學生提高對稱性解題方法的熟練使用程度，將原本復雜難懂的問題轉化為簡單具體的問題，實現(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。

參考文獻：

[1]唐德漢，蔡坤.“對稱性”在高中物理力學問題中的意義探究[J].文理導航，2016，（7） ：133.

[2]孫春禮，李元法.“對稱性”在高中物理力學問題中的應用[J].中學生數(shù)理化，2015，（9） ：16.

[3]胡孟林.新課標下對稱性在高中物理力學問題中的應用探討[J].讀寫算，2015，（1） ：26.

[4]劉丹，胡森.淺談大學物理中體現(xiàn)的物理學思想——以力學為例[J].湖北第二師范學院學報，2014，（8） ：91.

[5]李明，磨季云，陳桂娟.力學專業(yè)“數(shù)學物理方程”教學中現(xiàn)代數(shù)學工具的應用[J].教育教學論壇，2016，（13） ：198.