摘 要：近年來隨著高考改革的不斷推進(jìn)，新高考物理對學(xué)生應(yīng)試能力和學(xué)科素養(yǎng)的要求也發(fā)生了比較明顯的變化。新高考對學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維提出了更高的要求，注重對學(xué)生物理學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，讓學(xué)生從“解題”向“解決問題”進(jìn)行轉(zhuǎn)變。這就要求學(xué)生除了要掌握好高中物理基礎(chǔ)知識、基本概念和規(guī)律以外，還需要學(xué)會利用科學(xué)思維、方法研究分析高中物理的綜合性問題。對稱性思維是高中物理一種非常重要的思維方式，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，學(xué)會利用對稱性思維解決物理問題已是高中物理教學(xué)中不可或缺的一部分，在歷年高考中對其的考查也是層出不窮。

關(guān)鍵詞：對稱性思維；物理；高考

一、 引言

高中物理中的對稱性主要體現(xiàn)在空間和時間上的對稱。如：在分析等量同種或異種電荷電場、電勢分布時可以利用其空間上的對稱來快速判斷空間中某位置的場強的大小以及電勢的高低，又如：在研究拋體運動時往往可以利用時間的對稱性進(jìn)行全程的分析來簡化其較為復(fù)雜的運動過程。高考對利用對稱性思維解決物理問題能力考查的題型也是變化的，顯得比較靈活，但主要體現(xiàn)在物體運動過程的對稱性、所研究對象受力的對稱性等問題上。

二、 空間對稱性思維

利用空間對稱思維解決物理問題在歷年的高考試題中是比較常見的，主要在一些動力學(xué)問題中應(yīng)用于對物體運動過程分析或者受力分析中，根據(jù)空間維度大致可分為一維空間對稱、二維空間對稱和三維空間對稱。

（一） 一維空間對稱

在常見的板塊模型中的碰撞問題中，由于滑塊與木板間的摩擦力存在突變性，導(dǎo)致在研究該模型的運動過程中往往存在多過程的往復(fù)運動，如果能夠利用對稱性思維全程分析其情景過程，會很大程度地減小運算量以及思維量。如2010年課標(biāo)卷和2015年課標(biāo)1卷的計算題25題均為該類問題，木板與墻壁發(fā)生彈性碰撞后立即原速率反彈，而滑塊仍然保持原來的速度繼續(xù)向前做勻減速直線運動，期間木板先向后做勻減速運動直至速度為零，而后反向勻加速直線運動直到與滑塊共速，該過程木板的加速度保持不變，故可利用其運動的對稱性，全過程分析其運動，不僅可以減少了運算量，還可以提高其準(zhǔn)確性。

（二） 二維空間對稱

在曲線運動的拋體運動或者圓周運動模型的情景過程分析中，可以利用其運動軌跡和受力分析的對稱性來簡化該模型。無論是運動過程分析還是受力分析或者能量轉(zhuǎn)化問題都能快速地作出定性分析或者定量計算。如2015年課標(biāo)1卷中的17題，該題是研究小球在豎直放置粗糙程度處處相同的半圓形軌道的摩擦力做功問題，可以根據(jù)左、右對稱的任意兩點受力的對稱性，利用牛頓第二定律分析其向心力大小，判斷彈力大小，得出摩擦力的大小關(guān)系，進(jìn)而判斷出小球在兩個四分之一園上運動過程中克服摩擦力做功的多少。

（三） 三維空間對稱

高考物理對三維空間的考查，主要是定性分析和較為簡單的定量計算，因此三維空間的對稱性思維主要應(yīng)用于對模型中各物理量的大小、方向的判斷，重點考查三維空間的建模能力。例如2013年課標(biāo)1卷的第15題，題目要求分析、計算一半徑為R均勻分布著電荷量為Q的帶電圓盤過圓心軸線上的電場強度大小，解決該題需要考生會利用所掌握的點電荷電場分布情況結(jié)合空間中電場的疊加原理進(jìn)行建模。在該題的建模過程中，可以利用三維空間的對稱性思維，將一個復(fù)雜的空間電場分布等效簡化為對稱的點電荷電場，再利用點電荷電場強度公式和場強的疊加原理解決問題。

三、 利用對稱性思維解決非對稱性問題

在高考物理試題中，除了用較為直觀的空間或時間的對稱性解決問題，還需要會對對稱性思維加以理解、升華，進(jìn)而可以巧妙利用對稱性思維結(jié)合其他物理方法來解決物理當(dāng)中的非對稱過程和情景。

如2016年全國2卷第20題，該題中已知帶負(fù)電荷的油滴在一未知的勻強電場中的運動軌跡是一條沿豎直方向?qū)ΨQ、開口向上的曲線，判斷最低點P與軌跡上某點Q的電勢高低、加速度大小和能量關(guān)系。該題是一道復(fù)合場模型的題目，雖然該油滴在復(fù)合場中軌跡對稱，但其運動情況及受力情況并非對稱，解決該問題可以將其在電場與重力場中運動情況和做功情況獨立分析，在重力場中的運動具有對稱性，根據(jù)運動的獨立性，在將其在勻強電場中的運動疊加，可以更加快速、準(zhǔn)確地分析判斷該油滴的運動以及能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。

又如2018年全國1卷的第18題，abc是豎直面內(nèi)的光滑圓軌道，ab水平，長為2R，bc是半徑為R的四分之一圓弧，與ab相切與b點，一質(zhì)量為m的小球始終受到與重力大小相等的水平外力的作用，自a點處從靜止開始向左運動，求小球從a點開始運動到其軌跡最高點機械能的增量。該題為動力學(xué)綜合性問題，根據(jù)功能關(guān)系可得，小球從開始運動到軌跡最高點的機械能增量等于該水平外力所做的功。小球在脫離軌道后由于受到重力和水平方向外力的作用，小球在空中的運動軌跡并非直觀的對稱性斜拋運動，為了解決該問題，可以將該過程分解為豎直方向上的豎直上拋運動和水平方向的勻加速運動，利用豎直方向的對稱性以及運動合成和分解的等時性，通過運動學(xué)公式即可求出該過程水平方向位移，求出該外力所做的功。

要利用對稱性思維來解決一些非對稱性問題不僅要求學(xué)生具有較為敏銳的學(xué)科思維，還需要會結(jié)合微元法、疊加法、填補法、假設(shè)法等物理方法來構(gòu)建對稱的物理模型，以便較為直觀的解決物理問題。這也是體現(xiàn)了高考考試大綱對考生要求的變化，在平時的課堂教學(xué)中，也要教會學(xué)生不要生搬硬套，要學(xué)會分析情景、推理過程，要培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)的常規(guī)思維去解決一些非常規(guī)的創(chuàng)新型問題的能力，提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維。

四、 結(jié)語

大自然的鬼斧神工造就了許多讓人嘆為觀止的自然景觀，其中許多對稱之美更加體現(xiàn)了自然界的神奇，作為自然哲學(xué)的重要分支，物理學(xué)對自然界中所存在的各種具有對稱性的模型及其運動規(guī)律的研究也必不可少。無論是宏觀世界的力的平衡問題、物體運動規(guī)律的研究，又或是微觀世界中對粒子在電磁場中運動情況的分析都很大程度地體現(xiàn)了對稱性思維的重要性。而利用對稱性思維將物理模型化繁為簡或者進(jìn)行等效替代的物理方法在高考中也時常體現(xiàn)，值得在日常教學(xué)中予以關(guān)注、應(yīng)用。

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作者簡介：

魏恩澤，福建省漳州市，漳州實驗中學(xué)。