高中物理教学中力学对称性的应用探究

陈大磊

摘 要 现代高中大多教学科目中，关于对称性都有着不同的理解含义，在网络上多以化学关系来定义对称性。但如果从物理角度看待，就是指在进行某种操作后，存在质量守恒的不变性。而且高中物理对于对称性在教学中的应用，多用于力学中。不仅是因为力学在高中物理课本中占据绝大部分，而是因为力学在对称性上更具有代表性。

关键词 高中物理;对称性;力学

从高一到高三的人教版物理教材中可看出，无论哪一部分内容，都存在力学的影子。因此本文将从质量、物体碰撞两类经典问题分析，以体现对称性方法的重要作用。

一、对力学对称性应用研究的重要性

自我国提出新课改的意见后，提倡加强实用性学科在教育体系中的地位，因此在教学方式、教育计划等方面都要发生转变。而物理就是属于高中使用学科中比较重要的一科，也要加强对物理学习能力的培养力度。那么就相对而言，高中生们对于骤然突增的学习压力会感到不适应，因此可以建议学生们使用物理对称性的方法，来平衡自己的心态。比如，在学习《运动电荷在磁场中受到的力》时，会遇到思考洛伦兹力为什么要用左手判定方向，而不能用右手方向判定的情况。此时学生们其实已经钻进了一个牛角尖，如果再深入思考并不没有太大的现实意义。那么，教师可以用对称性的方法劝解他们，一方面告诉他们左手大拇指的方向，其实和磁场中的正电荷所受洛伦兹力的方向一致，所以才使用左手。另一方面告诉他们，这仅是一个大自然的物理现象，很多物体都可以代替手掌演示洛伦兹力，因此需要他们慢慢地深入了解才会发现其中的奥秘。

由此可见，从这样一种积极劝导的方式，既帮助他们消除了眼前的困惑，又使得他们对物理知识产生了浓厚的兴趣程度，有利于提高物理学科方面的学习积极性。

二、对力学对称性应用研究的实例

随着我国市场经济的日益发展，我国在逐渐提高在教育学科方面的资金投入，比如数学、物理、化学等基础实用学科，旨在提高普通民众对于此类学科的教育意识。而高中物理是在初中物理的基础上加深进一步的研究学习，比如初三物理中学习的磁场知识，直到高二物理学习的磁现象与磁场的作用力等知识，这两者之间实际是铺垫增益的过程。而在大多数的物理知识点中，都包括关于对称性的理论探讨，主要分为以下两种形式：

（一）将对称性应用在求解物体质量问题方面

在高中物理教科书的目录中，不难发现有很多理论知识中，都含有关于求知重心的问题。而在一般情况下，普通的练习题及分值较小的题目，仅仅是在物体质量、形状等条件一定的情况下，再要求学生作答，其实并没有什么难度。但如果遇到形状不规则的情况，学生就很难判断物体的重心与几何中心的位置，因此就可利用对称性的方法来探究。比如，在一平面上放有一个粗细均匀的钢管，且钢管的上下管口都为圆形。现在将这根钢管垂直立放，這时钢管的重心与中轴线是呈现垂直关系，那么如果这时再通过外力，将钢管切成两个长度一致的两段，最后需要学生们回答这两根钢管的重力大小。而要解决这道物理题，首先得要确定这两根钢管各自的重心是否在某一固定位置，但因为高中生们缺乏实践经验，仅凭浅薄的物理知识也无法直接用直觉判断。因此需要自己揣摩，出题者在题目中隐藏的条件，并尝试使用草稿纸依据题目的指示，演画一张模拟示意图。并且用笔和尺子，简单地根据描述距离分割钢管长度，同时进行分析推算的处理方式，最终以对称性方法解决这道题目。通过此例可看，对称性方法一方面可以转换学生们单一的思考方式，另一方面还可以提高学生们回答的正确率。

（二）将对称性应用在求解碰撞问题方面

在高中物理的众多知识点中，关于碰撞问题主要分为弹性和非弹性，比如系统动量系统动量守恒等。简单的来说，就是两种物体产生作用的过程。而物体根据自身体积形状的不同，自身所携带的力也不同，因此在发生撞击时彼此受到的作用力也是不对等的。比如，在一个水平直面S上，将质地带有弹性的蓝色球A匀速地向前抛出，并与一个直面B发生碰撞，从将蓝色球A抛到直面B的距离为M，蓝色球A抛出时与平面S的距离为N。那么蓝色球A在于直面B发生触碰的一刹那，动能没有发生增减，真正发生增减是在触碰之后。紧接着蓝色球A就滚落到直面S上，并且时间间隔为三秒，此时问蓝色球在抛出时的原始速度是多少。如果有些高中生从蓝色球A的滚动路径角度思索问题，那么会将问题复杂化，反倒不好解决。如果使用对称性方法解决，通过套用平抛运动求合速度的公式Vt=√Vx^2+Vy^2，就可以轻松解决这道题目。其实这道题的原理是，蓝色球A与直面B发生触碰本身就在瞬间，而当时蓝色球A的动能并无增减，且在碰撞动作完成后速度也无增减，就可以利用对称性方法，将其转换为一道关于自由落体运动的物理题，那么自然而然地套用相应物理公式，就可以轻松求得相应速度数值。

三、结语

综上所述，如果高中物理教师可以合理地运用对称性方法，有针对性解决高中生们对于物理难题的困惑，那么就可以让学生们从固定地思维方式中解放出来，并且渐渐地被自然规律所吸引。这样一方面可以提高高中生们在物理这门学科的卷面成绩，另一方面还可以给予高中生们活学活用的思维方式，从而获得教育教学双丰收。