高中物理教學中力學對稱性的應用探究

陳大磊

摘 要 現代高中大多教學科目中，關于對稱性都有著不同的理解含義，在網絡上多以化學關系來定義對稱性。但如果從物理角度看待，就是指在進行某種操作后，存在質量守恒的不變性。而且高中物理對于對稱性在教學中的應用，多用于力學中。不僅是因為力學在高中物理課本中占據絕大部分，而是因為力學在對稱性上更具有代表性。

關鍵詞 高中物理;對稱性;力學

從高一到高三的人教版物理教材中可看出，無論哪一部分內容，都存在力學的影子。因此本文將從質量、物體碰撞兩類經典問題分析，以體現對稱性方法的重要作用。

一、對力學對稱性應用研究的重要性

自我國提出新課改的意見后，提倡加強實用性學科在教育體系中的地位，因此在教學方式、教育計劃等方面都要發生轉變。而物理就是屬于高中使用學科中比較重要的一科，也要加強對物理學習能力的培養力度。那么就相對而言，高中生們對于驟然突增的學習壓力會感到不適應，因此可以建議學生們使用物理對稱性的方法，來平衡自己的心態。比如，在學習《運動電荷在磁場中受到的力》時，會遇到思考洛倫茲力為什么要用左手判定方向，而不能用右手方向判定的情況。此時學生們其實已經鉆進了一個牛角尖，如果再深入思考并不沒有太大的現實意義。那么，教師可以用對稱性的方法勸解他們，一方面告訴他們左手大拇指的方向，其實和磁場中的正電荷所受洛倫茲力的方向一致，所以才使用左手。另一方面告訴他們，這僅是一個大自然的物理現象，很多物體都可以代替手掌演示洛倫茲力，因此需要他們慢慢地深入了解才會發現其中的奧秘。

由此可見，從這樣一種積極勸導的方式，既幫助他們消除了眼前的困惑，又使得他們對物理知識產生了濃厚的興趣程度，有利于提高物理學科方面的學習積極性。

二、對力學對稱性應用研究的實例

隨著我國市場經濟的日益發展，我國在逐漸提高在教育學科方面的資金投入，比如數學、物理、化學等基礎實用學科，旨在提高普通民眾對于此類學科的教育意識。而高中物理是在初中物理的基礎上加深進一步的研究學習，比如初三物理中學習的磁場知識，直到高二物理學習的磁現象與磁場的作用力等知識，這兩者之間實際是鋪墊增益的過程。而在大多數的物理知識點中，都包括關于對稱性的理論探討，主要分為以下兩種形式：

（一）將對稱性應用在求解物體質量問題方面

在高中物理教科書的目錄中，不難發現有很多理論知識中，都含有關于求知重心的問題。而在一般情況下，普通的練習題及分值較小的題目，僅僅是在物體質量、形狀等條件一定的情況下，再要求學生作答，其實并沒有什么難度。但如果遇到形狀不規則的情況，學生就很難判斷物體的重心與幾何中心的位置，因此就可利用對稱性的方法來探究。比如，在一平面上放有一個粗細均勻的鋼管，且鋼管的上下管口都為圓形。現在將這根鋼管垂直立放，這時鋼管的重心與中軸線是呈現垂直關系，那么如果這時再通過外力，將鋼管切成兩個長度一致的兩段，最后需要學生們回答這兩根鋼管的重力大小。而要解決這道物理題，首先得要確定這兩根鋼管各自的重心是否在某一固定位置，但因為高中生們缺乏實踐經驗，僅憑淺薄的物理知識也無法直接用直覺判斷。因此需要自己揣摩，出題者在題目中隱藏的條件，并嘗試使用草稿紙依據題目的指示，演畫一張模擬示意圖。并且用筆和尺子，簡單地根據描述距離分割鋼管長度，同時進行分析推算的處理方式，最終以對稱性方法解決這道題目。通過此例可看，對稱性方法一方面可以轉換學生們單一的思考方式，另一方面還可以提高學生們回答的正確率。

（二）將對稱性應用在求解碰撞問題方面

在高中物理的眾多知識點中，關于碰撞問題主要分為彈性和非彈性，比如系統動量系統動量守恒等。簡單的來說，就是兩種物體產生作用的過程。而物體根據自身體積形狀的不同，自身所攜帶的力也不同，因此在發生撞擊時彼此受到的作用力也是不對等的。比如，在一個水平直面S上，將質地帶有彈性的藍色球A勻速地向前拋出，并與一個直面B發生碰撞，從將藍色球A拋到直面B的距離為M，藍色球A拋出時與平面S的距離為N。那么藍色球A在于直面B發生觸碰的一剎那，動能沒有發生增減，真正發生增減是在觸碰之后。緊接著藍色球A就滾落到直面S上，并且時間間隔為三秒，此時問藍色球在拋出時的原始速度是多少。如果有些高中生從藍色球A的滾動路徑角度思索問題，那么會將問題復雜化，反倒不好解決。如果使用對稱性方法解決，通過套用平拋運動求合速度的公式Vt=√Vx^2+Vy^2，就可以輕松解決這道題目。其實這道題的原理是，藍色球A與直面B發生觸碰本身就在瞬間，而當時藍色球A的動能并無增減，且在碰撞動作完成后速度也無增減，就可以利用對稱性方法，將其轉換為一道關于自由落體運動的物理題，那么自然而然地套用相應物理公式，就可以輕松求得相應速度數值。

三、結語

綜上所述，如果高中物理教師可以合理地運用對稱性方法，有針對性解決高中生們對于物理難題的困惑，那么就可以讓學生們從固定地思維方式中解放出來，并且漸漸地被自然規律所吸引。這樣一方面可以提高高中生們在物理這門學科的卷面成績，另一方面還可以給予高中生們活學活用的思維方式，從而獲得教育教學雙豐收。