高中物理力學(xué)問題中對(duì)稱性的應(yīng)用研究

◆趙炳睿

(濰坊中學(xué)高三2016級(jí)20班)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的蓬勃發(fā)展以及物理技術(shù)在社會(huì)各領(lǐng)域中的廣泛運(yùn)用，都提高了人們對(duì)物理教育事業(yè)的重視程度。而高中學(xué)生物理成績(jī)的高低，則直接影響了高中學(xué)生的高考成績(jī)，對(duì)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(jiǎn)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(huì)用到其他的物理學(xué)知識(shí)，對(duì)高中學(xué)生物理學(xué)理論知識(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)點(diǎn)之一，因此，高中學(xué)生必須充分認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)物理力學(xué)相關(guān)知識(shí)的重要性，并做好力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)難度較大的心理準(zhǔn)備，正確并合理利用對(duì)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(shí)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(duì)稱性在高中物理力學(xué)問題研究中的運(yùn)用

1.對(duì)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(huì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(shí)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(duì)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。

2.對(duì)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(jiǎn)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(huì)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(huì)減少，減少部分會(huì)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(huì)在無形之中增加問題解答的難度，但是，如果學(xué)生掌握對(duì)稱性相關(guān)知識(shí)并利用對(duì)稱性來解決該問題，那么這個(gè)問題就會(huì)變得簡(jiǎn)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，紅色小球雨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(zhǎng)，會(huì)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(duì)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)算公式來得出小球被拋出時(shí)的速度。

3.對(duì)稱性在高中物理力學(xué)拋體運(yùn)動(dòng)問題的合理使用。拋體運(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)的其他因素，拋體運(yùn)動(dòng)又分為豎直上拋運(yùn)動(dòng)等三大類型，豎直上拋運(yùn)動(dòng)過程中，被拋出的物體運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)稱性，如豎直上拋運(yùn)動(dòng)中，物體最開始的速度與落地時(shí)的速度是一致的，此外，物體上拋和下降所花費(fèi)的時(shí)間也是相同的。曲線運(yùn)動(dòng)是拋體運(yùn)動(dòng)的另一類型，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。學(xué)生解答題目的思路以及解答題目的方法都會(huì)直接影響學(xué)生解答問題的效率，正確的解答思路和解答方法會(huì)讓原本復(fù)雜的問題變得簡(jiǎn)單，同時(shí)，錯(cuò)誤的解答思路和解答方法則會(huì)讓原本比較簡(jiǎn)單的問題變得復(fù)雜難解。比如，一個(gè)白色小球以每分鐘20米的速度開始豎直上拋運(yùn)動(dòng)，該物體上拋運(yùn)動(dòng)是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，因此，不用考慮白色小球在運(yùn)動(dòng)過程中遇到的空氣阻力等因素，求解白色小球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)會(huì)花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間。在解決這一物理學(xué)問題的時(shí)候，部分學(xué)習(xí)受原有解題思維的影響，大多會(huì)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(xué)生順利計(jì)算出答案，但是解題步驟較為繁瑣，降低了學(xué)生解答問題的效率。此時(shí)，物理老師可以鼓勵(lì)學(xué)生使用對(duì)稱性的方法來解決這道題。

三、小結(jié)

高中物理力學(xué)問題中對(duì)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(duì)稱性解題方法的相關(guān)知識(shí)，幫助學(xué)生提高對(duì)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(jiǎn)單具體的問題，實(shí)現(xiàn)高中生物理成績(jī)的提高以及高中物理教育事業(yè)的發(fā)展。