巧用对称性解力学题

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  许多物理模型、物理现象、物理规律中都存在着和谐而优美的对称性。在解题过程中,如果我们能够巧妙而灵活地运用对称性,常常可以避免复杂的数学运算和推导过程,直接抓住问题的本质,出奇制胜,使一些复杂的问题变得简单。
  一、平衡位置对称
  对有关平衡位置对称的问题,应注意相关物理量在对称位置处的大小关系,并在解题过程中加以利用。
  例1 如图1所示,小球自A点静止自由下落,到B点时与弹簧接触,到C点时弹簧被压缩到最短,若不计弹簧的质量与空气阻力,则小球在C点的加速度a g(选填“>”、“=”或“<”)。
  解析 这是一道同学们感到较为棘手的问题,因为无法定量分析小球在C点受到的弹力大小。如果我们适当转换一下思维的角度,改让小球无初速度从B点释放,设小球在BC′间做简谐振动。依据简谐振动的对称性可知,小球在B点与C′点的加速度大小相等(两个最大位移处),且均等于g。那么当小球从A处落下时,小球所能到达的最低点C低于C′点,因此小球在C点受到的弹力大于在C′点受到的弹力,所以小球在C点的加速度大于g。
  二、时间变换对称
  系统在时间反演变换下,即t→-t的变换下具有的不变性,称为时间反演对称,时间反演如同时光倒流,在真实世界中是不可能发生的,但可以通过一对相对的过程来模拟演示。例如,对于竖直方向的抛体运动,由于速度具有对称性,因此相应的时间也具有对称性。在解题的过程中,如果能够灵活地运用这种对称性,可以极大地简化解题过程。
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