微积分在高中物理中的运用

微积分在高中物理中的运用在什么方面
如何运用
举些例子
我希望用大学的方法将恒量以变量来考虑
微积分一次函数来进行解答
快升高中捏....

应用的方面:

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。
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。用类似的方法,可以求球体的表面积,球体体积等等。
除此之外,在高中所学知识中,可以用微积分帮助理解的内容还有很多。通过这些内容的学习,既可以加强学生对物理概念的认识,也可以加深学生对微积分的领会。毕竟微积分当时发明的目的就是为了解决物理问题。
运用注意事项:
1. 明白应用在物理实际问题中的积分思想是有范围限定的,即从某一固定点无限累加到另一固定点,也就是通常所说的定积分。换言之,我们必须注意累加的起始位置与终止位置。
2.微元法千变万化,使用时要理智、灵活。
首先,要选择合适的微元,线元、面元、时间元、过程元、元电荷、元电流、元功等各种无限分割的小量皆可视为微元。这就要求解题者对于不同的情景、不同的问题寻找合适的微元入手。
其次,注意应用物理规律达到微元之间的转变。例如电流乘以时间元等于元电量(i×
dt=dq);速度乘以时间元等于位移元(v×dt=ds);电动势乘以时间元等于元磁通量(E×dt=dФ)等等。
再次,微元法需要不少近似的解题技巧,应当将其了然于胸。例如在小角情况下sin dθ=tan dθ=dθ,小梯形可视为矩形等等。
温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
第1个回答  推荐于2017-09-10
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/s2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 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

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 ;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 ,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,故而摩擦力为一変力,本题不能简单的用 来求。
可由圆轨道的对称性,在圆轨道水平直径上、下各取两对称位置A和B,设OA、OB与水平直径的夹角为θ。在 的足够短圆弧上,△S可看作直线,且摩擦力可视为恒力,则在A、B两点附近的△S内,摩擦力所做的功之和可表示为:

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:
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。

参考资料:高中物理中微积分思想 浙江省湖州中学物理组 潘建峰

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