高中物理力學問題中對稱性的應用分析

熊斌

摘 要：在高中教育階段，物理是一門非常關鍵的學科，學習物理知識的時候要抓住其中的重難點深入研究，這樣才能在學習過程中減少學習障礙。物理力學是高中物理知識的關鍵組成部分，加強分析物理力學中的對稱性有助于幫助學生在物理學方面奠定扎實基礎，也是學習物理的必要過程。良好運用對稱性了解物理，可以簡化學生學習思維，將復雜知識點簡單化，增強學生的邏輯思維能力。

關鍵詞：高中物理;力學問題;對稱性

人們的生活各方面都能涉及到物理知識，社會的經濟蓬勃發展帶動了物理的進一步應用，人們也越加重視對物理方面的教育，高中物理的學習方向主要在物理力學、牛頓定律以及曲線運動方面。雖然每項物理定律相互間看起來沒有絲毫關聯，但是在實際運用當中，卻是處于一種相輔相成的關系，每一項物理學問題必然有另一項物理定律參加論證，而對稱性是現代物理學中最為重要的一個概念。

1、對稱性在力學物體質量問題中的有效應用

對稱性在自然界中是一種廣泛存在的現象，特別是在物理學中，是最為重要的一個概念。對稱性的階梯辦法包括：鏡像法、割補法、直接求解法、無限網絡對稱法等，巧妙使用對稱性的原理來解決物理問題，可以達到化難為易、化繁為簡的效果。以物體力學角度來講，物體種類多樣，同時存在質量分布均勻但形狀不對稱的物體，也存在質量分布均勻而形狀也比較規則的物體。面對這類問題，我們就可以運用對稱性知識來解析，簡化問題實質，保障問題解決結果。比如：現有一質量分布均勻的方形木塊，沿著木塊中心并垂直在木塊的中軸線上鋸開，然后比較鋸開的兩部分木塊的重力大小。面對這一問題，我們可以明顯得知，兩部分木塊的重心位置是這個問題的根本，若直接確定兩者的重心位置，那么得到的結果準確性就很小，可能性也比較小，因為直接確定兩個圓臺的重心位置是非常困難的。由此，為了解決這個問題，我們可以先依據題型將圖形畫出來，然后利用割補的方式將題型轉化為對稱性問題，再由對稱性的基礎原理解決問題。以上例子屬于規則對稱圖形，比較容易解疑，若該物體屬于不規則、不對稱圖形，那么即使該物體密度不變，該物體的幾何中心和重心也不可能重疊，要根據對稱性的原理來逐步計算，學生在學習過程中要學會清楚的區分。

2、對稱性在力學特殊碰撞問題中的有效應用

在物理學中，不同物體或者粒子以不同狀態和速度產生極短的相互作用力就可被稱為物理碰撞，物理碰撞會產生能量的轉移。根據物理學的物體能量轉移相關定律，不同物體的相互碰撞導致的能量轉移運動可被系統的劃分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種類型。

彈性碰撞主要是指：碰撞物體在碰撞之前和碰撞之后，物體的動能沒有出現絲毫變化，也就是說發生碰撞的物體內部動能沒有轉換為熱能或其他形式的能量，這是彈性碰撞的必要條件。而非彈性碰撞與彈性碰撞則存在著很大的差異性。對于非彈性碰撞來講，就是碰撞的物體內部的能量發生了很大的變化，大多數情況下，發生非彈性碰撞的物體內部的動能會減少，這批減少的動能會轉化為其他的能量，從而導致碰撞物體內部的能量總數發生改變。除此兩者之外，還存在一種發生幾率非常小的比較特殊的碰撞類型，如果學生根據小球的運動軌跡來尋找問題的答案，則會在無形之中增加問題的解答難度。如果學生運用對稱性的相關知識來解決這類問題，那么則會大大降低問題的解答難度。

如：在水平方向有一個比較有彈性的黃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，黃色小球與墻面碰撞發生在一瞬間，黃色小球在碰到墻面的剎那內部動能并沒有發生改變，而碰撞發生后，黃色小球掉落在了距離墻面有2s遠的位置上，若要求解黃色小球被拋出時的原始速度時選擇按照黃色小球的實際運動軌跡來計算是非常復雜的，無形中增加了解答時間。而換個角度來推算，選擇利用對稱性的原理來將這個問題轉為平拋運動，已知碰撞事件過短，而小球的動能在與墻體碰撞前后又沒有變化，就可以將黃色小球從被拋出直到落地的這一過程歸納為物體連續性的自由落體運動，再據相關的計算公式就可得出小球被拋出時的速度。

3、對稱性在高中物理學拋體運動中的合理使用

對于高中物理來說，拋體運動這一模塊的學習一直是教學中的難點之一，拋體運動可以依據初期速度方向分成豎直運動、下拋運動和斜拋運動。平拋運動是我們最熟悉的運動類型，像體育運動中的擲鉛球就屬于平拋運動，相對于斜拋運動，我們可以看作是運動最高點的豎直直線對稱的兩種平拋運動的軌跡構成的運動。

結束語：物理知識與我們的生活息息相關，物理知識的學習也是十分關鍵的。力學知識是高中物理知識結構中的關鍵組成部分，在對這一模塊的知識進行學習的時候，我們要合理的運用對稱性知識，將復雜的問題簡單化。

參考文獻

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

[2]張卓.對稱性在高中物理力學問題中的應用[J].中學生數理化（教與學），2015（7）：16-16.