谈微元法在高中物理解题中的应用_中学教育-高中教育.pdf

《谈微元法在高中物理解题中的应用_中学教育-高中教育.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《谈微元法在高中物理解题中的应用_中学教育-高中教育.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、学习必备 欢迎下载 谈微元法在高中物理解题中的应用 高中物理中，由于数学学习上的局限，对于高等数学中可以使用积分计算的一些问题，在高中很难解决。例如对于求变力做功或者对物体做曲线运动时某恒力所做功的计算；又如求某做曲线运动的某质点运动的路程，这些问题对于中学生来讲，成为一大难题。但是如果应用积分的思想，化整为零，化曲为直，采用“微元法”，可以很好的解决这类问题。“微元法”通俗地说就是把研究对象分为无限多个无限小的部分，取出有代表性的极小的一部分进行分析处理，再从局部到全体综合起来加以考虑的科学思维方法，这个方法充分体现了微积分思想。高中物理的瞬时速度、瞬时加速度、感应电动势等等，都是用这种方法

2、定义的。微元法是分析、解决物理问题的常用方法，也是从部分到整体的思维方法。用该方法可以使一些复杂的物理过程用我们熟悉的物理规律迅速地加以解决，使所求的问题简单化。使用微元法处理问题时，需将其分解为众多微小的“元过程”，而且每个“元过程”所遵循的规律是相同的，这样，只需分析这些“元过程”，然后再将“元过程”进行必要的数学方法或物理思维的处理，进而使问题求解，使用此方法会加强我们对已知规律的再思考，从而引起巩固知识、加深认识和提高能力的作用。一、用微元法解题的基本方法和步骤 例 1：如图所示，水平放置的导体，电阻为 R，R 与两根光滑的平行金属导轨相连，导轨间距为 L，其间有垂直导轨平面的、磁感应

3、强度为 B 的匀强磁场。导轨上有一导体棒 ab，质量为 m，以初速度 v0向右运动，求这个过程的总位移？解析：根据牛顿第二定律，导体棒在运动过程中受到安培力的作用，导体棒做非匀减速运动，2 2B L vBIL maR-=-=在某一时刻取一个微元2 2iB L vv mR tD-=D 变式2 2iB Lv t m vR-D=D 两边求和2 2iB Lv t m vR-錎=錎 因i iv t x D=D 故()2 200B Lx m vR-=-得02 2mv RxB L=小结：处理非匀变速运动问题时，从对事物的极小部分（微元）分析入手，达到解决事物整体的方法。地使用微元法处理问题时，需疳其分解为众

4、多微小的“元过程”，每个“元过程”所遵循的规律相同，这样，只需分析这些“元过程”，然后再将“元过程”进行必要的数学方法（累计求和）进而使问题求解。解题过程中，常常遇到非匀变速运动过程中求位移，电量，能量等问题，灵活运用微元的思想，可以帮助我们更深刻的理解物理过程。微元法的解题思路：选取“微元”，将瞬时变化问题转化为平均变化问题（避免直接求瞬时问题的困难）；利用数学“微积分”知识将平均变化问题转化为瞬时变化问题（充分利用数学工具，既完成问题“转化”又保证问题的性质不变，又能简单地求得结果）微元法的解题步骤：确定研究对象，选取“微元”；列出微元的方程；对相关微元进行累积求和或求导。二、微元法的应用

5、 1利用“微元”中变力做功的特点推导出力所做的功 学习必备 欢迎下载 例 2：如图（1）a 所示，某个力 F=10N 作用于半径 R=1m 的转盘的边缘上，力 F 的大小保持不变，但方向保持任何时刻均与作用点的切线一致，则转动一周，这个力 F 做的功为多少？解析：由于力 F 的方向与作用点的速度方向一致，因此力 F 做功来为零，且此力不为恒力。可以考虑把圆周划分为很多“微元”来研究。如图（1）b 所示。当各小段的弧长s D足够小（0 s D?）时，在这段内 F 的方向几乎与该小段的位移重合，则 F 做的总功为()1 2 32 20 W F s F s F s F R J p=D+D+D=?。这

6、等效于将本是曲线的圆周拉直。在这里，力 F 所做的功相当于力和物体运动路程的乘积。2.“微元法”应用于求非匀变速运动中的速度 例 3：（08江苏）如图所示，间距为 l 的两条足够长的平行金属导轨与水平面的夹角为q，导轨光滑且电阻忽略不计.场强为 B 的条形匀强磁场方向与导轨平面垂直，磁场区域的宽度 为 d1，间距为 d2，两根质量均为 m、有效电阻均匀为 R的导体棒 a 和 b 放在导轨上，并与导轨垂直.（设重力加速度为 g）（1）若 d 进入第 2 个磁场区域时，b 以与 a 同样的速度进入第 1 个磁场区域，求 b 穿过第 1个磁场区域过程中增加的动能KE D；（2）若 a 进入第 2 个

7、磁场区域时，b 恰好离开第 1 个磁场区域;此后 a 离开第 2 个磁场区域时，b 又恰好进入第2 个磁场区域.且 a、b 在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间均相等.求 a 穿过第 2 个磁场区域过程中，两导体棒产生的总焦耳热 Q；（3）对于第（2）问所述的运动情况，求 a 穿出第 k 个磁场区域时的速率 v.解析：(1)因为 a 和 b 产生的感应电动势相等，按回路方向相反，所以感应电流为 0，所以 a 和 b 均不受安培力作用，由机械能守恒知，1sinkE mgd q D=（2）设导体棒刚进入无磁场区域时的速度为 v1，刚离开无磁场区域时的速度为 v2，即导体棒刚进入磁场区时的速度为

8、 v2，刚离开磁场区域时的速度为 v1，由能量守恒知，在磁场区域中，2 21 2 11 1sin2 2mv Q mv mgd q+=+在无磁场区域中，2 22 1 21 1sin2 2mv mv mgd q=+解得 Q=mg(d1+d2)sinq（3）设导体棒在无磁场区域和有磁场区域的运动时间都为 t，在无磁场区域 根据匀变速直线运动规律 v2-v1=gt sinq 且平均速度2 1 22v v dt+=有磁场区域 棒 a 受到合力 F=mg sinq-BIl 感应电动势E=Blv 积分计算的一些问题在高中很难解决例如对于求变力做功或者对物体做曲线运动时某恒力所做功的计算又如求某做曲线运动的某

9、质点运动的路程这些问题对于中学生来讲成为一大难题但是如果应用积分的思想化整为零化曲为直采用 的一部分进行分析处理再从局部到全体综合起来加以考虑的科学思维法这个法充分体现了微积分思想高中物理的瞬时速度瞬时加速度感应电动势等等都是用这种法定义的微元法是分析解决物理问题的常用法也是从部分到整体的思维 问题时需将其分解为众多微小的元过程而且每个元过程所遵循的规律是相同的这样只需分析这些元过程然后再将元过程进行必要的数学法或物理思维的处理进而使问题求解使用此法会加强我们对已知规律的再思考从而引起巩固知识学习必备 欢迎下载 感应电流 I=2ER 解得 F=mg sinq-2 22B lRv 因为速度 v

10、是变量，用微元法 根据牛顿第二定律，在 t 到 t+t D时间内Fv tmD=D Fv tmD=D邋 则有 2 2 sin 2B l vv g tmRq D=-D邋 解得 v1-v2=gt sinq-2 22B lRd1 联列式，得2 22 112 214sin8mgRd B l dv vB l d mRq=-3“微元法”应用于求非匀速运动中的时间 例 4：（09江苏）如图所示，两平行的光滑金属导轨安装在一光滑绝缘斜面上，导轨间距为 L、足够长且电阻忽略不计，导轨平面的倾角为，条形匀强磁场的宽度为 d，磁感应强度大小为 B、方向与导轨平面垂直 长度为 2d 的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连

11、接在一起组成“”型装置，总质量为 m，置于导轨上导体棒中通以大小恒为 I 的电流（由外接恒流源产生，图中未画出）线框的边长为 d（d L），电阻为 R，下边与磁场区域上边界重合 将装置由静止释放，导体棒恰好运动到磁场区域下边界处返回，导体棒在整个运动过程中始终与导轨垂直重力加速度为 g 求：（1）装置从释放到开始返回的过程中，线框中产生的焦耳热 Q；（2）线框第一次穿越磁场区域所需的时间 t1；（3）经过足够长时间后，线框上边与磁场区域下边界的最大距离 m 解析：（1）设装置由静止释放到导体棒运动到磁场下边界的过程中，作用在线框上的安培力做功为 W。由动能定理 mgsin 4d+W-BILd=

12、0 a 且 Q=-W 解得 Q=4mgdsin-BILd a（2）设线框刚离开磁场下边界时的速度为 v1，则接着向下运动 2d,积分计算的一些问题在高中很难解决例如对于求变力做功或者对物体做曲线运动时某恒力所做功的计算又如求某做曲线运动的某质点运动的路程这些问题对于中学生来讲成为一大难题但是如果应用积分的思想化整为零化曲为直采用 的一部分进行分析处理再从局部到全体综合起来加以考虑的科学思维法这个法充分体现了微积分思想高中物理的瞬时速度瞬时加速度感应电动势等等都是用这种法定义的微元法是分析解决物理问题的常用法也是从部分到整体的思维 问题时需将其分解为众多微小的元过程而且每个元过程所遵循的规律是相

13、同的这样只需分析这些元过程然后再将元过程进行必要的数学法或物理思维的处理进而使问题求解使用此法会加强我们对已知规律的再思考从而引起巩固知识学习必备 欢迎下载 由动能定理得：211mgsin 2d-BILd=0-mv2a 装置在磁场中运动时收到的合力F=mgsin-F a 感应电动势 E=Bdv 感应电流 E I=R 安培力 F=BI d 由牛顿第二定律，在 t 到 t+t 时间内，有Fv=mt D D 则2 2sinB d vv g tmRa轾犏錎=?D犏臌 有2 21 12sinB dv gtmRa=-解得()2 3122 2 sinsinB dm BILd mgdRtmgaa-+=（3）经

14、过足够长时间后，线框在磁场下边界与最大距离 xm之间往复运动 由 动 能 定理 m m mgsin x-BIL(x-d)=0 a 得 sinmBILdxBIL mg a=-4.应用“微元法”求非匀变速运动中的位移 例 5：从地面上以初速度 v0竖直向上抛出一质量为 m的球，若运动过程中受到的空气阻力与其速率成正比关系，球运动的速率随时间变化规律如图所示，t1时刻到达最高点，再落回地面，落地时速率为 v1，且落地前球已经做匀速运动求：（1）球从抛出到落地过程中克服空气阻力所做的功；（2）球抛出瞬间的加速度大小；（3）球上升的最大高度 H。积分计算的一些问题在高中很难解决例如对于求变力做功或者对物

15、体做曲线运动时某恒力所做功的计算又如求某做曲线运动的某质点运动的路程这些问题对于中学生来讲成为一大难题但是如果应用积分的思想化整为零化曲为直采用 的一部分进行分析处理再从局部到全体综合起来加以考虑的科学思维法这个法充分体现了微积分思想高中物理的瞬时速度瞬时加速度感应电动势等等都是用这种法定义的微元法是分析解决物理问题的常用法也是从部分到整体的思维 问题时需将其分解为众多微小的元过程而且每个元过程所遵循的规律是相同的这样只需分析这些元过程然后再将元过程进行必要的数学法或物理思维的处理进而使问题求解使用此法会加强我们对已知规律的再思考从而引起巩固知识学习必备 欢迎下载 解：（1）由动能定理得202

16、12121mv mv Wf 克服空气阻力做功21202121mv mv W Wf（2）空气阻力kv f 落地前匀速运动，则01 kv mg 刚抛出时加速度大小为 a0，则0 0ma kv mg 解得gvva 1001（3）上升时加速度为 a，ma kv mg vmkg a 取极短 t 时间，速度变化 v，有：vmkt g t a v 又h t v 上升全程 hmkt g v v 00 则Hmkgt v 1 0 gv gt vH 1 1 0 5.“微元法”求变化电量的运用 例 6：如图，水平放置的导体电阻为 R，R 与两根光滑的平行金属导轨相连，导轨间距为 L，其间有垂直导轨平面的、磁感应强度为

17、 B 的匀强磁场。导轨上有一 ab 质量为 m导体棒以初速度 v0向右运动。（1）导体棒将做什么运动？（2）能否求出全过程中通过导体某个横截面的电量？解析：（1）加速度越来越小的减速运动最终静止。（2）在某一时刻取一个微元t i q RBLvi 根 据 牛 顿 第 二 定 律，导 体 棒 在 运 动 过 程 中 受 到 安 培 力，导 体 棒 做 匀 减 速 运 动v m t BiL 两边求和 v m t i BL 积分计算的一些问题在高中很难解决例如对于求变力做功或者对物体做曲线运动时某恒力所做功的计算又如求某做曲线运动的某质点运动的路程这些问题对于中学生来讲成为一大难题但是如果应用积分的思

18、想化整为零化曲为直采用 的一部分进行分析处理再从局部到全体综合起来加以考虑的科学思维法这个法充分体现了微积分思想高中物理的瞬时速度瞬时加速度感应电动势等等都是用这种法定义的微元法是分析解决物理问题的常用法也是从部分到整体的思维 问题时需将其分解为众多微小的元过程而且每个元过程所遵循的规律是相同的这样只需分析这些元过程然后再将元过程进行必要的数学法或物理思维的处理进而使问题求解使用此法会加强我们对已知规律的再思考从而引起巩固知识学习必备 欢迎下载 因此 00 v m BLq BLmvq 0 总之，“微元法”是分析、解决高中物理问题中的常用方法，也是从部分到整体的思维方法，更是近几年高考提倡的处理

19、问题的数学方法，是高考的热点。结合“微元法”可以考查电磁感应、力学等方面的知识，运用这一方法不仅丰富了处理问题的手段，拓展了我们的思维，还为高中阶段的后续学习奠定了思维基础。因此，高三学生就当熟练掌握。用微元法巧解 a-t 图象 图象问题是高考考查的热点.在全国各地的高考试题中,均有一定数量的图形考题出现,且占有较大的分值比例,有关图象试题的设计意图,明显由“注重对状态的分析”转化为“注重对过程的理解和处理.处理该类问题过程中往往要借助于物理图象的斜率,物理图象的斜率代表一物理量随另一物理量变化的快慢,即用两物理量增量的比值来表示,斜率往往代表另外一个有特定意义的物理量,如 s-t 图象中的斜

20、率为速度,v-t 图象中的斜率为加速度,由此可推知,任一图象中的斜率均可表示为,那么 a-t 图象的斜率表示什么物理意义呢?a-t 图象一般考查的是变力作用下加速度随时间的变化关系,学生往往不会分析加速度随时间变化的快慢,学生在这方面失分较多,笔者平时教学过程中,尝试用微元法教学,效果比较明显.例 1 积分计算的一些问题在高中很难解决例如对于求变力做功或者对物体做曲线运动时某恒力所做功的计算又如求某做曲线运动的某质点运动的路程这些问题对于中学生来讲成为一大难题但是如果应用积分的思想化整为零化曲为直采用 的一部分进行分析处理再从局部到全体综合起来加以考虑的科学思维法这个法充分体现了微积分思想高中物理的瞬时速度瞬时加速度感应电动势等等都是用这种法定义的微元法是分析解决物理问题的常用法也是从部分到整体的思维 问题时需将其分解为众多微小的元过程而且每个元过程所遵循的规律是相同的这样只需分析这些元过程然后再将元过程进行必要的数学法或物理思维的处理进而使问题求解使用此法会加强我们对已知规律的再思考从而引起巩固知识