高中物理力学问题中对称性的应用研究

2019-02-01赵炳睿

中国校外教育 2019年4期

◆赵炳睿

(潍坊中学高三2016级20班)

经济社会的蓬勃发展以及物理技术在社会各领域中的广泛运用，都提高了人们对物理教育事业的重视程度。而高中学生物理成绩的高低，则直接影响了高中学生的高考成绩，对高中学生未来发展都产生了深远影响。高中物理涉及人们工作生活的方方面面，物理问题更是包罗万象，应用范围特别广泛。常见的高中物理学问题主要包括物理力学、牛顿定律、曲线运动等，虽然这些物理学问题看似比较简单，彼此之间毫无任何关联性，但是每一个物理学问题的解决都必然会用到其他的物理学知识，对高中学生物理学理论知识的实践运用能力以及灵活变通能力的要求较高。

一、分析对称性在高中物理力学问题研究中的积极作用

高中素质教育以及新课程标准改革的大背景下，高中物理学科的教学模式、教学理念以及教学目标都发生了巨大的变化，在要求高中学生掌握更多物理专业理论知识的基础上，更加重视高中学生物理素养以及物理实践能力的培养。一直以来，力学部分都是高中物理教学的重点内容，也是高中学生学习物理知识的难点，但是因力学问题在高中物理教学内容中所占比例较大，是高考物理的必考知识点之一，因此，高中学生必须充分认识到学习物理力学相关知识的重要性，并做好力学知识的学习难度较大的心理准备，正确并合理利用对称性的方法和思路来解决物理力学问题，有利于降低高中物理力学知识的学习难度和提高学生顺利解答力学问题的几率。

二、对称性在高中物理力学问题研究中的运用

1.对称性在高中物理力学物体质量问题中的合理使用。高中物理学习过程中，学生经常会遇到各种寻找物体重心的问题，如果问题题目中所提及物体的密度一定和质量均匀、形状也比较规则，那么这道求物体重心的题目就比较简单了，答案也比较清晰准确了，基本可以断定物体的几何中心就是该物体重心所在的位置。但是，如果该物体属于不规则、不对称徒刑，那么即使该物体密度不变，那么，该物体的几何中心和重心不可能重叠，这时，就需要学生利用对称性的方法来层层剥茧的计算和寻找物体的重心。例如，质量分布均匀的圆形铁棒，若根据铁棒重心的位置并与圆形铁棒的中轴线向垂直的方向，可以利用专门的工具将铁棒一分为二，成为两个一样粗细长短的铁棒，那么，这两个铁棒的重力是多少？基本上所有的学生都知道想要计算两个铁棒的重力就需要明确两个铁棒的重心所在的位置，学生因物理知识以及能力有限，很少甚至不可能在短时间内凭借肉眼来确认这两个铁棒的重心，这时，高中物理老师可以让学生反复读问题的题目，并根据问题的题目来画出相应的图形，利用一边切割一边填补的方式来将该问题转化为对称性问题，不仅可以降低物理问题的解答难度，还可以提高学生找出问题答案的效率。

2.对称性在高中物理力学特殊碰撞问题中的合理运用。高中物理学中的碰撞问题可以简答理解为不同的物体或者粒子以不同的速度和状态进行的碰撞，进而产生相互作用力。根据高中物理学相关定律可以知道，不同物体发生碰撞时，会产生能量的转移，可以根据能量转移的方式将碰撞划分为弹性碰撞和非弹性碰撞两大类型。弹性碰撞过程中，不同物体系统内部的动能并没有因为碰撞而产生任何细微的变化，也就是说发生弹性碰撞的物体系统内部的动能并没有转化成为别的能量，而非弹性碰撞则与弹性碰撞有着很大的差异性和区别性，发生非弹性碰撞物体系统内部的动能总量发生了变化，大多数情况下，该物体系统内的动能会减少，减少部分会转化为其他形式的内容，进而导致该物体系统内部的能量总数发生改变。除此之外，还存在一种发生几率较小的比较特殊的碰撞类型，如果学生根据小球运动轨迹来寻找问题答案，会在无形之中增加问题解答的难度，但是，如果学生掌握对称性相关知识并利用对称性来解决该问题，那么这个问题就会变得简单。比如，水平方向的一个比较有弹性的红色小球被抛向前方光滑平整的墙面，小球被抛出位置o与水平面的实际距离是h，与墙壁之间的距离是s，红色小球雨墙面的碰撞只是一瞬间的事情，红色小球在碰到墙面时的动能并没有减少，在两者发生碰撞之后，红色小球掉落在了离墙面有2s距离远的地方，求解红色小球被抛出时的原始速度。在该力学问题中，如果学生按照红色小球实际的运用轨迹来推算的化，推算步骤较长，会在无形之中增加学生解答这道问题的时间，这时，学生可以换个角度和换一种解决方式，利用对称性的基本原则来将问题转化为平抛运动，毕竟小球雨墙面发生碰撞的时间特别短，加之，小球从始至终的动能既没有减少又没有增加，两者在发生碰撞之后，红色小球的运动速度并没有丝毫的变化，因此，可以将红色小球被抛出到落地的运动归纳为物体连续性的自由落体运动，从而根据相关的计算公式来得出小球被抛出时的速度。

3.对称性在高中物理力学抛体运动问题的合理使用。抛体运动可以简单理解为是将某一物体抛向空中，只考虑此过程中物体的重力因素，而不用考虑影响物体运动的其他因素，抛体运动又分为竖直上抛运动等三大类型，竖直上抛运动过程中，被抛出的物体运动轨迹会呈现出较强的对称性，如竖直上抛运动中，物体最开始的速度与落地时的速度是一致的，此外，物体上抛和下降所花费的时间也是相同的。曲线运动是抛体运动的另一类型，也是学生学习的难点。学生解答题目的思路以及解答题目的方法都会直接影响学生解答问题的效率，正确的解答思路和解答方法会让原本复杂的问题变得简单，同时，错误的解答思路和解答方法则会让原本比较简单的问题变得复杂难解。比如，一个白色小球以每分钟20米的速度开始竖直上抛运动，该物体上抛运动是在理想状态下进行的，因此，不用考虑白色小球在运动过程中遇到的空气阻力等因素，求解白色小球运动到最高点时会花费多长时间。在解决这一物理学问题的时候，部分学习受原有解题思维的影响，大多会选择利用列举方程的方式来寻找问题答案，虽然这种解题方法也可以让学生顺利计算出答案，但是解题步骤较为繁琐，降低了学生解答问题的效率。此时，物理老师可以鼓励学生使用对称性的方法来解决这道题。