简谐运动对称性的应用

来源 :现代教育教学探索杂志 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kaixinlfy
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  1. 方法介绍
  由于物质世界存在某些对称性,使得物理学理论也具有相应的对称性,从而使对称现象普遍存在于各种物理现象和物理规律中。应用这种对称性不仅能帮助我们认识和探索物质世界的某些基本规律,而且也能帮助我们去求解某些具体的物理问题,这种思维方法在物理学中称为对称法.用对称性解题的关键是敏锐地抓住事物在某一方面的对称性,这些对称性往往就是通往答案的捷径,利用对称法分析解决物理问题,可以避免复杂的数学演算和推导,直接抓住问题的实质,出奇制胜,快速简便地求解问题。
  2. 典例分析
  例1如图所示,轻弹簧的一端固定在地面上,另一端与木块B相连,木块A放在木块B上,两木块质量均为m , 在木块A上施有竖直向下的力F,整个装置处于静止状态。
  〖TPE:\教育图14年6月下\张西照1.TIF,BP#〗
  (1)突然将力F撤去,若运动中A、B不分离,则A、B共同运动到最高点时,B对A的弹力有多大?
   (2)要使A、B不分离,力F应满足什么条件?
  解析:力F撤去后,系统作简谐运动,该运动具有明显的对称性,该题利用最高点与最低点的对称性来求解,会简单得多。
  (1)最高点与最低点有相同大小的回复力,只是方向相反,这里回复力是合外力。在最低点,即原来平衡的系统在撤去力F的瞬间,受到的合外力应为F,方向竖直向上;当到达最高点时,系统受到的合外力也应为F,方向竖直向下,A受到的合外力为 12 F,方向向下,考虑到重力的存在,所以B对A的弹力为mg - 12 F
  (2)力F越大越容易分离,讨论临界情况,也利用最高点与最低点回复力的对称性。最高点时A、B间虽接触但无弹力,A只受重力,故此时回复力向下,大小为mg。那么,在最低点时,即刚撤去力F时,A受的回复力也应等于mg,但根据前一小题的分析,此时回复力为 12 F ,这就是说12F=mg。则F =2mg。因此,使A、B 不分离的条件是F≤2mg。
  例2:用一轻质弹簧把两块质量各为M和m的木板连接起来,放在水平上,如图7-5所示,问必须在上面木板上施加多大的压力F,才能使撤去此力后,上板跳起来恰好使下板离地?
   〖TPE:\教育图14年6月下\张西照2.TIF,BP#〗 〖LL〗
  
   解析:此题可用能量守恒的观点求解,但过程较繁,而用弹簧形变的“对称性”求解就显得简洁明了。
   若用拉力F作用在m上,欲使M离地,拉力F至少应为F=(M+m)g
   根据弹簧的拉伸和压缩过程具有的对称性,故要产生上述效果,作用在m上的向下的压力应为F=(M+m)g
  
  例3:一根自由长度为10cm的轻弹簧,下端固定,上端连一个质量为m的物块P,在P上放一个质量也是m的物块Q,系统静止后,弹簧长度为6cm,如图14所示,如果迅速向上移去Q,物块P将在竖直方向做简谐运动,此后弹簧的最大长度为()
  A. 8cm B.9cmC.10cmD.11cm
  解析:移去Q后,P做简谐运动的平衡位置处弹簧长度为8cm,由题意可知刚移去Q时P物体所处的位置为P做简谐运动的最大位移处。即P做简谐运动的振幅为2cm,当物体P再次向上运动到速度为零时弹簧有最大长度,此时P所处的位置为另一最大位移处,根据简谐运动的对称性可知此时弹簧的长度为10cm,C正确。
  【方法链接】在高中物理模型中,有很多运动模型有对称性,如(类)竖直上抛运动的对称性,简谐运动中的对称性,电路中的对称性,带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动中几何关系的对称性。
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