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高中物理:運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決物理問(wèn)題

 任謙Leo 2018-02-13

一、幾何方法

把物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為幾何問(wèn)題,利用幾何關(guān)系來(lái)研究物理問(wèn)題.

1、用細(xì)繩AO、BO懸掛一重物,BO水平,O為半圓形支架的圓心,懸點(diǎn)AB在支架上.懸點(diǎn)A固定不動(dòng),將懸點(diǎn)B從圖1所示位置逐漸移動(dòng)到C點(diǎn)的過(guò)程中,分析OA繩和OB繩中的拉力變化情況.

分析:本題是靜力學(xué)中的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題,即物體在三力作用下處于平衡狀態(tài),任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力是平衡力.求解本題的關(guān)鍵為:一是完成由物理問(wèn)題向幾何問(wèn)題的轉(zhuǎn)換,畫(huà)出對(duì)應(yīng)的矢量三角形;二是利用三角形的性質(zhì)來(lái)討論力的變化問(wèn)題.

解析:依據(jù)題意分析可知,在B點(diǎn)沿圓弧BCB移動(dòng)到C的過(guò)程中,雖然繩BO對(duì)O點(diǎn)的拉力FB、AO對(duì)D點(diǎn)的拉力FA都發(fā)生變化,但兩個(gè)拉力的合力F卻保持不變(三力作用下物體處于平衡狀態(tài),任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力大小相等,方向相反,即F=G).

依據(jù)題意作出FAFB及其合力F的矢量三角形如圖2所示,當(dāng)B點(diǎn)沿圓弧BCBC移動(dòng)時(shí),BO與豎直方向的夾角逐漸減?。鐖D2所示,隨著角的減小,作出的三角形依次為①、②、③、④

依據(jù)三角形的邊角關(guān)系可知:在B點(diǎn)沿圓弧BCB移動(dòng)到C的過(guò)程中,BO繩對(duì)O點(diǎn)的拉力FB先減小后增大,AO對(duì)O點(diǎn)的拉力FA逐漸減?。?/span>

 

二、函數(shù)方法

運(yùn)用數(shù)學(xué)中的函數(shù)知識(shí),將物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為函數(shù)問(wèn)題,然后將函數(shù)問(wèn)題注入物理意義,從而達(dá)到解決物理問(wèn)題.

2、如圖3所示,在人向右運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,物體A緩慢的上升.若人對(duì)地面的壓力為F1,人受到的摩擦力為F2,人拉繩的力為F3,則

A.F1、F2、F3均增大

B.F1、F2增大,F3不變

C.F1F2F3均減小

D.F1增大,F2減小,F3不變

分析:本題是利用物體平衡條件判斷動(dòng)態(tài)平衡中的變力問(wèn)題,是物體平衡條件應(yīng)用典型題目之一.解決本題的關(guān)鍵是將物理問(wèn)題轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)中的函數(shù)關(guān)系,也就是將題目中變化的物理量作為函數(shù)的自變量,而將要討論的物理量作為函數(shù),看函數(shù)隨自變量的變化而變化的規(guī)律.

解析:依據(jù)題意可知,物體A緩慢上升,即在任何位置都可以認(rèn)為是處于平衡狀態(tài).

故繩子的張力F3=mAg。顯然繩的張力不變.

對(duì)人進(jìn)行受力分析,并建立直角坐標(biāo)系如圖.

對(duì)人依據(jù)物體平衡條件可得:

x方向上:                      

y方向上:                     

聯(lián)立①②解得:

顯然,F1、F2是關(guān)于自變量的函數(shù).

依據(jù)函數(shù)觀點(diǎn)可知:對(duì)函數(shù)式,當(dāng)自變量減小時(shí),函數(shù)F1增大;對(duì)函數(shù)式,當(dāng)自變量減小時(shí),函數(shù)F2增大。

所以,本題的正確選項(xiàng)應(yīng)為(B).

 

三、圖象方法

將物理規(guī)律用物理圖象的形式表現(xiàn)出來(lái),然后利用圖象中的物理意義解決實(shí)際問(wèn)題.

3、如圖4所示,甲、乙兩個(gè)光滑斜面的高度和斜邊長(zhǎng)度都相同,只是乙斜面由兩部分組成.將兩個(gè)相同的小球從兩斜面的頂端同時(shí)釋放,不計(jì)拐角處的機(jī)械能損失,則下列結(jié)論正確的是(    

A.兩球同時(shí)落地

B.A球先落地

C.B球先落地

D.兩球落地的速率相同

解析:兩光滑斜面高度相同,又不計(jì)拐角處的機(jī)械能損失,兩小球下滑時(shí)機(jī)械能守恒,所以?xún)尚∏虻竭_(dá)底端時(shí)速率相同.小球A勻加速下滑的加速度為a1,B球兩部分的加速度為a2、a3,則a3<>1<>2.畫(huà)出小球下滑的vt圖象如圖5所示,圖象與坐標(biāo)軸所圍的面積表示小球通過(guò)的路程,所以?xún)刹糠置娣e相等,B點(diǎn)只能在A點(diǎn)左側(cè),即B球先滑到底部.所以選(C)、(D)。

 

四、特殊值代入法

在不影響普遍性和解答正確性的前提下,利用特殊值代入的方法來(lái)解決物理問(wèn)題.

4、一輕繩一端固定在O點(diǎn),另一端拴一小球,拉起小球使輕繩水平,然后無(wú)初速釋放小球,如圖6所示,小球從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)至輕繩到達(dá)豎直位置的過(guò)程中,小球所受重力的瞬時(shí)功率的變化情況是(    

A.一直增大

B.一直減小

C.先增大,后減小

D.先減小,后增大

解析:依據(jù)可知:在最高點(diǎn)時(shí),重力的瞬時(shí)功率為:.在最低點(diǎn)時(shí),重力的瞬時(shí)功率為:.在從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,重力的瞬時(shí)功率不為零.

所以,小球受重力的瞬時(shí)功率的變化情況是:先增大,后減?。@然,只有選項(xiàng)(C)是正確的.

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