高中物理微积分应用(完美)
高中物理微积分应用(完美)
高中物理中微积分思想
伟大的科学家牛顿,有很多伟大的成就,建立了经典物理理论,比如:牛顿三大定律,万有引力定律等;另外,在数学上也有伟大的成就,创立了微积分。
微积分(Calculus )是研究函数的微分、积分以及有关概念和应用的数学分支。微积分是建立在实数、函数和极限的基础上的。微积分最重要的思想就是用"微元"与"无限逼近",好像一个事物始终在变化你很难研究,但通过微元分割成一小块一小块,那就可以认为是常量处理,最终加起来就行。 微积分学是微分学和积分学的总称。 它是一种数学思想,‘无限细分’就是微分,‘无限求和’就是积分。无限就是极限,极限的思想是微积分的基础,它是用一种运动的思想看待问题。微积分堪称是人类智慧最伟大的成就之一。在高中物理中,微积分思想多次发挥了作用。
1、解决变速直线运动位移问题
匀速直线运动,位移和速度之间的关系x=vt ;但变速直线运动,那么物体的位移如何求解呢?
例1、汽车以10m/s 的速度行驶,到某处需要减速停车,设汽车以等减速2m/s 2刹车,问从开始刹车到停车,汽车走了多少公里?
【解析】 现在我们知道,根据匀减速直线运动速度位移公式at v v +=0 2
02
1at t v x +
=就可以求得汽车走了0.025公里。
但是,高中所谓的的匀变速直线运动的位移公式是怎么来的,其实就是应用了微积分思想:把物体运动的时间无限细分。在每一份时间微元内,速度的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在做匀速直线运动,因此根据已有知识位移可求;接下来把所有时间内的位移相加,即“无限求和”,则总的位移就可以知道。现在我们明白,物体在变速直线运动时候的位移等于速度时间图像与时间轴所围图
微积分在物理中的应用举例
微积分在物理中的应用举例
微积分,作为数学中的重要分支,不仅仅是一种抽象的理论,而在现实世界中有着广泛的应用。特别是在物理学领域,微积分的应用更是无处不在。本文将通过几个具体的例子来说明微积分在物理中的应用。
运动学中的微积分应用
在研究物体的运动时,我们需要对其位置、速度和加速度进行分析。而微积分正是运动学中经常使用的工具之一。例如,对于一个运动的物体,我们可以通过微积分来求解其在不同时刻的位置,速度和加速度之间的关系。通过对这些关系进行分析,可以更好地理解物体的运动规律。
力学中的微积分应用
在力学中,微积分可被用来分析受力物体的运动。例如,通过对牛顿第二定律的微积分分析,我们可以得出物体在不同时间下的轨迹和速度变化。此外,微积分还可以帮助我们计算物体受力时的加速度,从而更好地理解物体的受力情况。
热力学中的微积分应用
在研究热力学问题时,微积分同样扮演着重要角色。例如,通过微积分可以分析热传导过程中物体温度的变化规律。此外,微积分还可以用来解决热力学系统中的复杂方程,从而帮助我们更好地理解热力学系统的特性。
结论
通过以上几个例子,我们可以看到微积分在物理学中的重要性和广泛应用。无论是运动学、力学还是热力学,微积分都扮演着至关重要的角色,帮助我们更好地理解和解决物理学中的问题。因此,微积分的学习和应用对于物理学研究具有重要意义。
微积分在变力做功问题中的应用
微积分在变力做功问题中的应用
一、什么是变力做功问题
变力做功问题是一种求解物体在变力作用下的运动问题,它描述的是物体在受到变力作用时,物体的位置、速度和加速度的变化情况。变力做功问题是力学中重要的一类问题,它
可以用微积分的方法来解决。
二、微积分在变力做功问题中的应用
1、用微积分来求解变力做功问题
变力做功问题可以用微积分的方法来解决,这种方法可以用来求解物体在受到变力作用时,物体的位置、速度和加速度的变化情况。其中,用微积分的方法求解变力做功问题,关键
是要先确定物体的受力情况,即受力函数。一般情况下,受力函数可以用曲线表示,这样
可以用积分的方法来求解受力函数。
2、用微积分来求解变力做功问题的示例
例如,一个物体在受到一个变力的作用下,它的位移与时间的关系可以用曲线表示:
s(t)=t^3-2t^2+3t
此时,可以用微积分的方法来求解物体在受到变力作用时,物体的位移、速度和加速度的
变化情况。
其中,物体的位移可以用积分的方法来求得:
s(t)=∫t^3-2t^2+3t dt=t^4/4-2t^3/3+3t^2/2+C
其中,C为常数。
物体的速度可以用微分的方法来求得:
v(t)=ds(t)/dt=3t^2-4t+3
物体的加速度可以用微分的方法来求得:
a(t)=dv(t)/dt=6t-4
三、结论
从上面的例子可以看出,微积分在变力做功问题中有着重要的应用,可以用来求解物体在受到变力作用时,物体的位移、速度和加速度的变化情况。因此,微积分在变力做功问题中有着重要的应用价值。
微积分在物理的应用
微积分在物理的应用
微积分在物理学中有广泛的应用,主要体现在以下几个方面:
1. 速度和加速度的计算:微积分可以用于计算物体的速度和加
速度。通过对物体的位置函数进行微分,可以得到物体的速度函数;再对速度函数进行微分,可以得到物体的加速度函数。
2. 曲线及面积的计算:微积分可以用于计算曲线和面积。通过
对曲线进行积分,可以得到曲线下的面积;再通过对面积进行微分,可以得到曲线的长度。同样地,对于曲面,可以通过对曲面进行积分,得到曲面下的体积。
3. 力学问题的求解:微积分可以用于求解力学问题,例如弹性
势能、动能和势能等。通过对力学方程进行微分和积分,可以得到物体的运动状态和能量变化情况。
4. 电磁学问题的求解:微积分也可以用于求解电磁学问题。例如,通过对带电粒子在电场中的运动轨迹进行微分和积分,可以得到带电粒子的加速度和速度等信息。
总之,微积分是物理学中非常重要的工具,可以帮助我们理解物理学中的许多现象和问题,同时也为我们提供了解决这些问题的方法。
- 1 -
高中物理微积分应用(完美)
试求其t时刻的速度的表达式。(所有物理量都用国际制单位,以下
同)
分析:我们知道,公式v=一般是求△t时间内的平均速度,当△t取很小
很小,才可近似处理成瞬时速度。
s(t)=3t+2t2
s(t+△t)=3(t+△t)+2(t+△t) 2
△s=s(t+△t)-s(t)=3(t+△t)+2(t+△t)
2-3t-
式:
⑴ 导数的四则运算
①=±
③=
②=·v + u·
⑵ 常见函数的导数
①=0(C为常数); ④=-sint;
②=ntn-1 (n为实数); ⑤=et;
③=cost;
⑶ 复合函数的导数
在数学上,把u=u(v(t))称为复合函数,即以函数v(t)为u(x)的自
变量。
=·
复合函数对自变量的导数,等于已知函数对中间变量的导数,乘以
但是,高中所谓的的匀变速直线运动的位移公式是怎么来的,其实 就是应用了微积分思想:把物体运动的时间无限细分。在每一份时间微 元内,速度的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在做匀速 直线运动,因此根据已有知识位移可求;接下来把所有时间内的位移相 加,即“无限求和”,则总的位移就可以知道。现在我们明白,物体在变 速直线运动时候的位移等于速度时间图像与时间轴所围图形的“面积”, 即。 【微积分解】汽车在减速运动这段时间内速度随时间变化的关系,从开 始刹车到停车的时间t=5s, 所以汽车由刹车到停车行驶的位移
微积分在物理中的应用举例
微积分在物理中的应用举例
微积分是一门研究变化的数学学科,它在物理学中有着广泛的应用。物理学家
们利用微积分的工具和概念描述自然现象、建立模型、解决问题。下面将通过几个具体的例子来说明微积分在物理学中的应用。
1. 运动学中的速度与加速度
在物理学中,我们经常需要描述物体的运动状态,包括速度和加速度。速度是
位置随时间的变化率,而加速度则是速度随时间的变化率。这些概念可以通过微积分来表达和计算。例如,一个物体的位移可以表示为速度关于时间的积分,而速度则可以表示为加速度关于时间的积分。微积分使得我们能够准确描述和分析物体的运动规律。
2. 牛顿第二定律
牛顿第二定律是描述力和物体运动之间关系的基本定律,它可以用微积分来推
导和解释。根据牛顿第二定律,物体的加速度与作用在物体上的合力成正比,通过微积分可以将这个关系表达为一个微分方程。通过对微分方程的求解,我们可以得到物体在不同情况下的运动方程,从而预测物体的运动轨迹和速度变化。
3. 电场力和电势能
在电动力学中,微积分也广泛应用于描述电场力和电势能。电场力是描述电荷
之间相互作用的力,而电势能则是电场力做功的能量。微积分可以帮助我们计算电场力和电势能之间的关系,以及在不同电场分布下的电势能变化。这种分析对于研究电路中电荷流动、电场能量转换等现象非常重要。
总结
微积分在物理学中的应用是十分广泛的,它为物理学提供了强大的工具和方法。通过微积分,我们可以更深入地理解自然现象,推导和解释物理原理,建立物理模型并做出预测。以上是仅仅是几个微积分在物理学中应用的例子,实际上微积分在物理学中的应用远不止这些,它在整个物理学研究中都扮演着重要的角色。
微积分的应用实例
微积分的应用实例
微积分作为数学的一个重要分支,不仅仅存在于教科书中的理论知识中,更是广泛应用于现实生活和各个领域的实际问题中。本文将介绍微积分在实际中的应用实例,以展示微积分的重要性和广泛性。
一、面积与体积的计算
微积分最常见的应用之一是计算面积和体积。例如,通过定积分可以计算曲线与坐标轴之间的面积,从而求得边界形状的面积。又如,利用三重积分可以计算立体图形的体积,为工程设计和建筑规划提供重要参考。
二、速度与加速度的分析
微积分还可以用于分析速度和加速度,通过导数和积分关系可以推导出质点的速度和加速度函数。这对于物理学中的运动学问题和工程学中的运输问题都具有重要意义,在汽车设计、航天器发射等领域都有广泛应用。
三、最优化问题的求解
微积分还可以用于解决最优化问题,通过对函数的导数进行分析,可以找到函数的最大值和最小值,为工程优化和资源分配提供重要依据。例如,为了最大化利润或最小化成本,可以利用微积分方法对生产过程进行优化。
四、概率与统计分析
微积分在概率与统计学中也有着广泛的应用。例如,通过积分可以计算概率密度函数下的概率值,从而进行概率分布的分析。又如,在统计学中,微积分方法可以用于计算变量之间的相关性和分布情况。
总而言之,微积分作为一门重要的数学工具,在各个领域中都有着重要的应用价值。通过对微积分的深入理解和应用,我们能够更好地解决实际问题,推动科学技术的发展,促进社会经济的进步。希望本文所述的微积分应用实例能够启发更多人对微积分的学习和研究,为未来的发展做出更大的贡献。
微积分在实际中的应用案例
微积分在实际中的应用案例
微积分在实际中有许多应用案例,以下是一些例子:
1. 物理学的应用:微积分在物理学中有广泛的应用,例如计算物体在运动中的速度、加速度和位移,以及解决电磁学、光学和量子力学中的问题。此外,在研究天文学、气象学和地球物理学等领域时,也需要用到微积分的知识。
2. 工程学的应用:在工程学中,微积分被用来解决各种实际问题,如结构设计、机械振动、热传导和流体动力学等问题。微积分还被用于控制工程和信号处理等领域,以实现最优控制和信号传输。
3. 经济学的应用:微积分在经济学的应用非常广泛,例如计算边际成本、边际收入和边际利润等,以及进行投入产出分析和动态规划等。此外,微积分也被用于金融学和保险精算等领域。
4. 社会学的应用:在人口统计学中,微积分被用来研究人口增长和减少的规律。在心理学中,微积分也被用于研究人类行为的规律和预测未来的趋势。
5. 医学的应用:在医学领域,微积分被用来研究生物系统的生理变化和药物动力学等。例如,通过微积分的方法可以模拟药物在体内的扩散和代谢过程,为新药的研发提供重要的参考依据。
6. 环境科学的应用:在环境科学中,微积分被用来研究环境污染物的扩散和传播过程,以及生态系统的平衡和可持续发展等问题。
7. 计算机科学的应用:在计算机科学中,微积分被用来优化算法和提高计算机的性能。例如,通过微积分的方法可以优化图像处理和语音识别等算法的性能。
8. 化学工程的应用:在化学工程中,微积分被用来描述化学反应速率和传质传热等过程,并优化反应器的操作条件。
9. 生物学中的应用:在生物学中,微积分被用来描述生物体的生理特征和行为特征,如呼吸系统、消化系统和神经系统等。此外,微积分还被用于生态学中研究种群增长和生物多样性等问题。
高中物理微积分应用(完美)
在△t的时间内,通过电阻R的电量为△q。虽然电流随时间发生变
化,但在很短的时间△t内,可以认为电流几乎不变,当成恒定电流处
理,故有△q= i△t 。对电容有Q=CU=CiR,△Q=CR△i;由电量守
恒,△Q= -△q ,故-i△t=CR△i,然后把“△”形式改写成微积
分语言的“d”形式,就有-idt=CRdi (dt和di称之为微分),数学
①(△t+C)=C
②C·△t=0 ③f(△t)=f(0)
④ f(t+△t)=f(t)
⑤=1
『附录』常用等价无穷小关系()
① ;② ;③ ;④ ;⑤
㈢ 导数
前面我们用了极限“”的表示方法,那么物理量y的变化率的瞬时值z
可以写成:
z=,并简记为z=,称为物理量y函数对时间变量t的导数。物理上经常
用某物理量的变化率来定义或求解另一物理量,如v=、a=、i=、ε=N
L(弧长)=α(弧度)x r(半径) (弧度制)
又因为车在A、B两点以速率v作圆周运动,所以:
综合以上各式得: F= 圆周运动向心力公式 故摩擦力对车所做的功: 【微积分解】物体在轨道上受到的摩擦力,从最低点运动到最高点摩擦 力所做的功为 小结:这题是一个复杂的变力做功问题,利用公式直接求功是难以办到
但是,高中所谓的的匀变速直线运动的位移公式是怎么来的,其实 就是应用了微积分思想:把物体运动的时间无限细分。在每一份时间微 元内,速度的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在做匀速 直线运动,因此根据已有知识位移可求;接下来把所有时间内的位移相 加,即“无限求和”,则总的位移就可以知道。现在我们明白,物体在变 速直线运动时候的位移等于速度时间图像与时间轴所围图形的“面积”, 即。 【微积分解】汽车在减速运动这段时间内速度随时间变化的关系,从开 始刹车到停车的时间t=5s, 所以汽车由刹车到停车行驶的位移
微积分应用实例
微积分应用实例
在数学领域中,微积分是一门重要的学科,它研究的是函数的变化
率和积分运算。微积分不仅仅是纯粹的理论知识,它也有着广泛的实
际应用。本文将介绍微积分在实际应用中的一些例子,以展示其重要
性和实用性。
一、速度和加速度的计算
微积分在物理学中有着广泛的应用。其中一个重要的应用是计算物
体的速度和加速度。假设一个物体在时间 t 的位置函数为 x(t),则该物
体的速度和加速度分别可以通过求导和求二阶导数来计算。例如,通
过对位置函数 x(t) 求导,我们可以得到速度函数 v(t)。同样地,对速度
函数 v(t) 求导,我们可以得到加速度函数 a(t)。这种求导运算是微积分
的核心操作之一,它使我们能够准确地描述物体的运动状态。
二、面积和体积的计算
微积分在几何学中也有许多应用。例如,我们可以使用微积分来计
算平面图形的面积和立体图形的体积。对于平面图形而言,我们可以
通过求取曲线与坐标轴之间的面积来计算其面积。具体而言,设曲线
函数为 y=f(x),则在区间 [a, b] 上的曲线与 x 轴之间的面积可以通过计
算定积分∫[a,b] f(x) dx 来获得。同样地,对于立体图形而言,我们可以
通过求取曲面与坐标轴之间的体积来计算其体积。通过计算三重积分,我们可以得到立体图形的体积。
三、最优化问题的求解
微积分在经济学和工程学等领域中也有许多应用。其中一个重要的
应用是求解最优化问题。最优化问题是指在一定的约束条件下,寻找
一个使得目标函数取得最大值或最小值的解。通过使用微积分中的极
值理论,我们可以确定目标函数的临界点,并通过一定的判别条件来
微积分在高中物理中的应用
微积分在高中物理中的应用
一、非匀变速直线运动的位移计算
一小球以速度v 做直线运动,其速度随时间变化规律为22+-=t v ,求小球在0—1s 内的位移。
由题意可知,小球的速度并不是均匀变化的,无法运用匀变速直线运动的公式计算位移,现在尝试运用微积分的思想来解决问题。
试想,将[0,1]这段时间分为n 个时间段:
[0,n 1],[n 1,n 2],…,[n
n 1-,1] 每个时间段的长度为 n
n t t t t t i i 101=-=-=∆- 当Δt 很小时,在[t 1-i ,t i ]上,v(t)的变化很小,可以认为物体近似的以速度v(t 1-i )做匀速运动,在这一段时间上物体的位移
t t v x i i ∆≈∆-)(1
在[0,1]上物体的总位移
∑∑=-=∆=∆=n i i n i i
t t v x x 111
)(
∑=-⎪⎭⎫ ⎝
⎛+⋅=n i i n n t x 12121- ()[]
()()22111131-26
121n 1-2121n 1-2111110-3222322+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=+--=+-+⋯++=+⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛--⋯-⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=n n n n n n n
n n n n n 所以,n 越大即t ∆越小时,时间段[0,1]分得越细,
∑=∆n i i x 1与x 的近似程度就越好,当∞
→n 时,两者之差趋向于零,即
3
522111131-lim lim 1
1=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆=∞→=-∞→∑x n n x t
v x n n
微积分的应用
微积分的应用
微积分是数学的一个重要分支,也是应用最广泛的数学工具之一。它的应用领域涵盖了物理学、经济学、工程学等各个学科。本文将探讨微积分在实际问题中的应用,并介绍一些相关的例子。
一、速度与加速度
微积分的一个重要应用是描述物体的速度和加速度。当我们给定一个物体的位移函数,通过对其进行微分,我们可以得到物体的速度函数。同样的,通过对速度函数再次进行微分,我们可以得到物体的加速度函数。
例如,假设一个车辆沿直线行驶,它的位移函数可以表示为s(t),其中t表示时间。通过对位移函数求导,我们可以得到车辆的速度函数v(t),即v(t)=s'(t)。如果我们再对速度函数v(t)求导,就可以获得车辆的加速度函数a(t),即a(t)=v'(t)。
通过这些函数,我们可以研究车辆在不同时间点的速度和加速度变化情况,这对于设计交通规划、优化车辆性能等方面非常重要。
二、曲线长度与曲面积
微积分还可以应用于计算曲线的长度和曲面的面积。通过对曲线或曲面进行参数化,并对参数进行积分,我们可以获得它们的长度或面积。
以计算曲线长度为例,假设有一条平面曲线y=f(x),其中x的范围
是[a, b]。为了计算它的长度,我们可以将曲线分为许多小段,每一小
段可以近似看作一条直线段。然后,通过求解直线段的长度,并对所
有小段的长度进行求和,我们就可以得到整条曲线的长度。
对于曲面的面积计算也是类似的原理。我们可以将曲面分成无数个
小面元,每个小面元可以近似看作一个平面上的小区域。然后,通过
对每个小面元的面积进行积分,我们就可以得到整个曲面的面积。
微积分在高中物理学习中的应用
微积分在高中物理学习中的应用
微积分在高中物理学习中的应用
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高中物理学是学习物理的一个重要阶段,它涉及许多方面,其中包括传统的物理学,如力学,热学等,以及更加抽象的数学知识,如微积分。微积分是一门利用函数和导数来研究求解曲线、曲面和复杂几何体的数学理论,是高中物理学中一个重要的基础。
为了更好地理解物理学,我们必须正确地使用微积分。微积分可以帮助我们准确地描述物理现象,从而使我们能够更好地理解它们。例如,我们可以使用微积分来描述一个物体运动的轨迹。我们可以利用它来求解速度、加速度和动量的变化规律,从而有效地描述物体的运动状态。
此外,微积分还可以帮助我们更好地理解变化率问题。例如,当我们讨论物体的加速度时,我们可以使用微积分来求出其加速度的变化率。此外,微积分还可以帮助我们求出物体的动能、势能和动量的变化规律。
另外,微积分在理解物体的摩擦、热学、光学等方面也有重要作用。例如,我们可以使用微积分来分析两个物体之间的摩擦力,并利用它来分析物体在不同温度下的传导性能。此外,微积分还可以帮助我们理解光的衍射和反射原理。
最后,微积分还可以帮助我们理解物理定律的变化和发展。例如,我们可以使用微积分来分析和证明牛顿定律的正确性。此外,微积分还可以帮助我们更好地理解相对论的发展历史和它对物理学的影响。
总之,微积分在高中物理学习中有着重要作用。它不仅可以帮助我们正确理解物理学,而且还可以帮助我们理解物理定律的变化和发展。因此,为了能够正确地理解高中物理学,我们必须正确地使用微积分。
精选-微积分在高中物理领域的运用
微积分在高中物理领域的运用
微积分在高中的学习越来越加强,主要原因一方面是微积分和微元法有助于理解高中的很多物理,数学知识,另一方面是微积分作为大学理工科的基础课,微积分的重要性不言而喻,而且很多同学在大学表现出了对这部分知识的强烈的不适应。因此高中阶段接触简单的微积分对高中和大学的学习都很有帮助。
首先,导数和积分的最直观的表现:位置,速度,加速度三个物理量之间的关系。
以时间为自变量,则速度是位置和时间关系函数的导函数,也就是表示任意一点位置和时间关系图像的切线斜率的函数,加速度是速度时间函数关系的导函数。
同理,我们知道加速度时间图像中面积表示的是速度的变化量,也就是对加速度和时间的函数求积分可以得到速度时间关系;类似的速度时间图像中的面积表示位移,也就是对速度时间函数求积分得到位置时间关系。
用这个方法可以推导关于直线运动中的加速运动的各种公式,在此就不再赘述。
其次,导数等于零时,则函数则有极值。这个在物理中应用明显。物理题目中经常出现有关于极值情况的描述,比如,“平衡”,“距离最大”或者“距离最小”,“能量最大”,“能量最小”,“速度最大”,“速度最小”等等情况。这
些都表示可以用某个函数的导数为零的方法来求。
例如我们最常见到的平衡问题,其实都是能量和位置的函数关系中的导数为零。能量和位置关系的导数的相反数,就是这个能量对应的力的大小。
再次,用积分方法,可以求体积,面积,重心等等问题,这些问题在高考中涉及较少,但是通过这些问题的计算可以帮助同学们对于微积分,微元法,对于重心等物理概念有更深入的了解。例如某年考试的压轴题中就考察了均匀质量球壳的重心问题。用类似的方法,可以求球体的表面积,球体体积等等。
利用微积分解决物理问题
利用微积分解决物理问题
微积分是数学中的一门重要工具,被广泛应用于各个领域,尤其在
物理学中有着重要的作用。利用微积分的方法可以解决许多与物理相
关的问题,本文将通过介绍几个具体的例子,来说明微积分在物理问
题中的应用。
1. 物体的运动分析
假设有一个物体在直线上做匀速运动,我们想知道在任意一时刻物
体的位置。根据微积分的思想,我们可以通过对速度函数进行积分,
得到物体在不同时间的位置函数。如果物体的速度函数是$v(t)$,其中$t$表示时间,那么物体的位置函数可表示为$s(t)=\int v(t)dt$。通过计
算速度函数积分的结果,我们可以准确地描述物体的位置随时间的变
化规律。
2. 弹簧振子的运动
弹簧振子是物理学中常见的系统之一。我们可以用微积分来分析弹
簧振子的运动情况。假设有一个弹簧振子,其位移函数为$x(t)$,其中$t$表示时间。根据牛顿第二定律,我们可以得到$x(t)$满足的微分方程$m\frac{d^2x}{dt^2}+kx=0$,其中$m$是质量,$k$是弹簧的劲度系数。通过求解这个微分方程,我们可以得到弹簧振子的位移随时间的变化
规律。
3. 计算物体的质量
在一些实验中,我们需要知道物体的质量。我们可以利用微积分中
积分的思想来解决这个问题。假设我们测得一个物体在不同时间下的
速度函数为$v(t)$,我们可以通过对速度函数进行积分,来得到物体在
不同时间下的位移函数$x(t)$。假设物体在时间$t_1$到$t_2$之间的位
移为$\Delta x$,那么根据牛顿第二定律,物体所受合外力的大小等于
微积分思想在高中物理中的应用
微积分思想在高中物理中的应用
高中物理中的微积分思想的应用可以有很多,大概有下面几个方面,都属于微积分思想的重要应用。
首先,在力学中,物理学家使用微积分的思想来探究任何物体的
运动情况,主要是通过计算加速度、速度和位置,也就是计算物体运
动的函数来求解。例如,如何分析一个物体自由落体运动的轨迹和速度,就要用到微积分思想。
其次,牛顿第二定律中又引入了微积分思想,牛顿第二定律可以
用F=ma表示,其中F代表力,m代表质量,a代表加速度。加速度的
变化就是微积分中的导数概念,用微积分的思想,可以很容易地计算
出速度的变化。
此外,在动能定理中也用到了微积分思想,动能定理可以用来计
算物体的动能,例如可以用它来计算物体下落时的动能和势能的大小,也可以用来求解物体的动量变化。
总之,微积分思想在高中物理学中应用十分广泛,不仅仅可以用
来计算物体的运动轨迹,还可以用来求解力学中的力和动量,对物理
学学习有着不可或缺的作用。
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高中物理中微积分思想
伟大的科学家牛顿,有很多伟大的成就,建立了经典物理理论,比如:牛顿三大定律,万有引力定律等;另外,在数学上也有伟大的成就,创立了微积分。
微积分(Calculus )是研究函数的微分、积分以及有关概念和应用的数学分支。微积分是建立在实数、函数和极限的基础上的。微积分最重要的思想就是用"微元"与"无限逼近",好像一个事物始终在变化你很难研究,但通过微元分割成一小块一小块,那就可以认为是常量处理,最终加起来就行。 微积分学是微分学和积分学的总称。 它是一种数学思想,‘无限细分’就是微分,‘无限求和’就是积分。无限就是极限,极限的思想是微积分的基础,它是用一种运动的思想看待问题。微积分堪称是人类智慧最伟大的成就之一。在高中物理中,微积分思想多次发挥了作用。
1、解决变速直线运动位移问题
匀速直线运动,位移和速度之间的关系x=vt ;但变速直线运动,那么物体的位移如何求解呢
例1、汽车以10m/s 的速度行驶,到某处需要减速停车,设汽车以等减速2m/s 2刹车,问从开始刹车到停车,汽车走了多少公里
【解析】 现在我们知道,根据匀减速直线运动速度位移公式at v v +=0 2
02
1at t v x +
=就可以求得汽车走了公里。
动的时间无限细分。在每一份时间微元内,速度的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在做匀速直线运动,因此根据已有知识位移可求;接下来把所有时间内的位移相加,即“无限求和”,则总的位移就可以知道。
现在我们明白,物体在变速直线运动时候的位移等于速度时间图像与时间轴所围图形的“面积”,即2
02
1at t v x +
=。 【
【微积分解】汽车在减速运动这段时间内速度随时间变化的关系t at v v 2100-=+=,从开始刹车到停车的时间t=5s , 所以汽车由刹车到停车行驶的位移
km t t t a t v dt at v dt t v x 025.0)10()2()()(5
025
205
005
0=-=+=+==⎰⎰
小结:此题是一个简单的匀变速直线运动求位移问题。对一般的变速直线运动,只要结合物理知识求速度
关于时间的函数,画出v -t 图像,找“面积”就可以。或者,利用定积分就可解决.
2、解决变力做功问题
恒力做功,我们可以利用公式直接求出Fs W =;但对于变力做功,我们如何求解呢
例2:如图所示,质量为m 的物体以恒定速率v 沿半径为R 的竖直圆轨道运动,已知物体与竖直圆轨道间的摩擦因数为μ,求物体从轨道最低点运动到最高点的过程中,摩擦
力做了多少功。
【解析】物体沿竖直圆轨道从最低点匀速率运动到最高点的过程中,在不同位置与圆环间的正压力不同, 设OA 、OB 与水平直径的夹角为θ作直线,且摩擦力可视为恒力,则在功之和可表示为:
(μθμ-+∆-=∆R N W A f
又因为车在A 、B 两点以速率v 作圆周运动,所以:
综合以上各式得:
=∆
W f 故
摩
擦
力
对
车
所
做
的
功
:
22222mv mv mv W W f f πμθμθμ-=∆∑-=∆-∑=∆∑=
【微积分解】物体在轨道上受到的摩擦力N F f μ=,从最低点运动到最高点摩擦力所做的功为
220
22)(mv d mv d R N R N W B A f πμθμθμμπ
-=-=--=⎰⎰
<
小结:这题是一个复杂的变力做功问题,利用公式直接求功是难以办到的。利用微积分思想,把物体的运动无限细分,在每一份位移微元内,力的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在恒力作用下的运动;接下来把所有位移内的功相加,即“无限求和”,则总的功就可以知道。
在高中物理中还有很多例子,比如我们讲过的瞬时速度,瞬时加速度、感应电动势、引力势能等都用到了微积分思想,所有这些例子都有它的共性。作为大学知识在高中的应用,虽然微积分高中不要求,但他的思想无不贯穿整个高中物理。“微积分思想”丰富了我们处理问题的手段,拓展了我们的思维。我们
在学习的时候,要学会这种研究问题的思想方法,只有这样,在紧张的学习中,我们才能做到事半功倍。
【例】问均匀带电的立方体角上一点的电势是中心的几倍。 分析:
①根据对称性,可知立方体的八个角点电势相等;将原立方体等分为八个等大的小立方体,原立方体的中心正位于八个小立方体角点位置;而根据电势叠加原理,其电势即为八个小立方体角点位置的电势之和,即U 1=8U 2 ;
)
②立方体角点的电势与什么有关呢电荷密度ρ;二立方体的边长a ;三立方体的形状;
根据点电荷的电势公式U=K Q
r 及量纲知识,可猜想边长为a 的立方体角点电势为
U=CKQ
a =Ck ρa 2 ;其中C 为常数,只与形状(立方体)及位置(角点)有关,Q 是总电量,ρ是电荷密度;其中Q=ρa 3 ③
大立方体的角点电势:U 0= Ck ρa 2 ;小立方体的角点电势:U 2= Ck ρ(
a 2 )2
=CK ρa 2 4
大立方体的中心点电势:U 1=8U 2=2 Ck ρa 2 ;即U 0=1
2 U 1
【小结】我们发现,对于一个物理问题,其所求的物理量总是与其他已知物理量相关联,或者用数学语言来说,所求的物理量就是其他物理量(或者说是变量)的函数。如果我们能够把这个函数关系写出来,或者将其函数图像画出来,那么定量或定性地理解物理量的变化情况,帮助我们解决物理问题。
R
mv mg N R mv mg N B A 2
2
sin sin =
+=
-θθ