高中物理中对称性问题研究.docx

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高中物理中对称性问题研究 ——中学物理奥林匹克竞赛知识讲座 省克东一中 兴江 摘要: 本次讲座主要研究在高中物理中存在的对称性问题。通过分析说明,对称性 分析可以培养学生的发散性思维,帮助学生抓住问题的要点,能更好地理解物理规律的 涵义。对于一些复杂的题目,学生用普通方法难以求解时,往往可在对称性分析中能找 到解题的捷径。 培养学生在分析问题和解决问题时, 首先关注如何选择解题的巧妙方法, 以求达到学生思维素质的提高。 关键词 :对称;对称性;对称轴;等效;发散性思维;灵感。 引言 我们在中学物理教学中常体会到,学生在掌握物理知识时往往拘泥于基本概念和基 本公式,而对一些由基本概念和基本规律引伸开来的题目往往无从下手,许多中上水平 的学生不习惯于发散性思维,对一些新背景的题目毫无方法。长此下去,把物理知识学 死了,越学越脱离物理学中的实际意义,这样就不利于学生的进一步的发展。 其实在高中物理中经常能遇到大量的对称性问题,或可以用对称的手法通过作图、 等效化简等方法简化问题,找出对称的要素达到解决问题的目的。通过对称性问题的研 究,能得到一些学习规律和方法,激发学习中的灵感,树立学好物理学的信心,培养学 生发散性思维的能力,最终形成科学的全面的认识。 通过对称性问题研究,可以认识到丰富多采的自然界中包含着大量对称的事实,了 解事物的在规律。能感受各种对称问题的出现,其中包含了稳定与和谐。也能激励学生 自觉寻找对称问题的另一半。 对称性问题多种多样,有运动路径对称;研究对象的对称分布;坐标系中图象的对 称;质心不变中的动量守恒;等效电路和力的平衡;非对称问题用对称性手段处理等。 通过对称性问题研究,可大大提高图象和图线的运用能力,本文绝大多数的题目是 运用图象来分析和表述的,这样有利于提高形象思维能力和建立物理模型的能力,提高 处理局部与整体的综合能力。 本文将从三个层次来研究对称和对称性相关问题。一、形式的对称;二、图象的对 称;三、物理规律的对称。以与一些非对称性问题转化成对称性问题来解决的例子。 第一讲:物体运动中的对称 1 / 14 m m 在中学物理的许多题目中,存在物体运动的对称性。 [ 例 1] 如图 1 所示,在水平面上,有一质量为 m的物体,在水平拉力作用下,由静 止开始移动一段距离后,到达一斜面底端,这时撤去外力物体冲上斜面,上滑的最大距 离和在水平面上移动的距离相等。 然后物体又沿斜面下滑, 恰好停在水平面上的出发点。 已知斜面倾角为 30°, 物体与斜面与水平面的动摩擦因数相 同,求物体所受的水平拉力。 这是一个关于运动对称问题,物体 m在运动中经历了四 A 个不同的匀变速运动, ①在 F 和 f 作用下由 A→ B,②在 mgsin C θ B (图 1) θ+mgμcos θ作用下由 B→ C。由于 AB=BC, B 点是对称位置,在这两段运动中,它们具 有加速度对称,路程对称,时间对称,速度(图线)对称等;同理,③物体由 B 点与④由 B 点滑到 A 点也具有对称关系。 根据加速度对称关系有: 抓住这些对称关系不难得到图 v (1) 0 (图 F mg mgsin mg cos m m mg mg sin mg cos m m (2) A 点,求 a1 与3 A 点,求 a1 与 3 所示。 类似有 [ 例 2] 物体由 A 点从静止出发, 以大小为 a1 的加 速度作匀变速直线运动。经过一段时间,加速度突然反向, 大小变为 a2,再经过同样的时间,物体又回到 a2 之比。 利用时间对称和位移对称得速度图线如图 解得: a1 ∶ a2=1 ∶ 3 v 0 C 点滑到 2 的速度图线。 2) t 2 t1 (图 3) t t [ 例 3] 如图 4 所示, m1、 m2、 m3 为质量相等的三个弹性小球, l 2=0.25m 的细线上,它们刚好跟光滑水平面接触而不相互挤压, m1 和 m2 连线中点处以 v=5cm/s 的速度向右运动,则 m3 将与 m1、 m2 分别悬挂在 l 1=1m, m1、 m2 相距 10cm, m3 从 m1 和 m2 反复做弹性碰撞(碰 后两球交换速度)而来回运动,若取中心位置 O为坐标原点,以

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