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物理学中最值问题.doc

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物理学中的最值问题 安徽省长丰县下塘中学 杨机庭 关键词:最值、三角函数、均值不等式、求导 摘要:针对物理学要培养的思维能力及学生在实际学习中存在的问题,笔者结合具体的物理实例和相关的数学知识,详细分析如何根据物理情境选择合适的方法,来进行最值问题的解答。可高效地培养学生发散性的思维能力。 物理学中经常涉及到临界条件的最值问题,多数学生因不能根据具体问题找到恰当的方法来巧妙地解答,而教师往往只给出特殊值,不详细解释个中原因,使学生只知其然不知其所以然,仍一头雾水;再遇到相关问题,仍不知如何解决。这必然成为学生能力提升和发挥的瓶颈。笔者总结发现,解决这类问题的关键是根据具体的情境列出所求量的表达式,再进行数学处理解出所求结果。 这类问题都有固定的几种解法。下面逐一列出,仅供参考。 与力类似的矢量(如E、B等)多用三角函数求最值。 O θ 例1.如图质量为M、带电量为+Q的点电荷 T 用细线系于O点,现将其置于某匀强电场中, β E 其可从最低处摆置与竖直方向成θ角而静止,则场 β 强的最小值为多大,方向如何? 解析:设场强与竖直方向的夹角为β (不要设与悬线间的 夹角,因悬线不固定),细线对电荷的拉力为T。 在最高点时受力平衡,由共点力平衡条件得: Tcosθ+QEcosβ=Mg,Tsinθ=QEsinβ 联立解得E=Mgsinθ/Qsin(θ+β) 可见当θ+β=90°时,即E垂直悬线时E最小。最小值为E=Mgsinθ/Q。 【小试牛刀】 1.如图所示,通电导体棒ab质量为m=0.2kg、长为L=1.0m, 水平地放置在由两金属导轨形成的倾角为θ=37°的光滑 斜面上,通以图示方向的电流,电流强度为I=3A,要求 导体棒ab静止在斜面上。 (cos37°=0.8, sin37°=0.6,g=10m/s2)求: (1)若磁场方向竖直向上,则磁感应强度B为多大? (2)若要使磁感应强度最小,则磁感应强度的大小、方向如何? 2.如图所示倾角为θ的斜面上有一质量为m的光滑金属球, 其下固定一挡板。求挡板与斜面间的夹角α为多大时, 其受到的压力最小 。 θ 二.对于一些标量或方向确定的矢量多利用均值不等式(a+b≧2)或完全平方式【(a-b)2≧0】求解 例2.如图所示,已知电源电动势E=20V,内阻r=lΩ, 电路中标有“3V,6W”的灯泡L和阻值为3.5Ω的定值电阻 R0,可变电阻R的阻值为何值时,其消耗的功率最大, 最大功率是多少?(灯泡电阻保持不变) 解析:灯泡额定电流I额=P额/U额=6W/3V=2A;灯泡电阻RL=U额/I额=3V/2A=1.5Ω; 由闭合电路欧姆定律可得:PR=E2R/(R+RL+R0+r)2= 400/(R++12) 由a+b≧2得当且仅当R=时,即R=6Ω时PR取最大值50/3 【一展身手】 平直的公路上有甲、乙两辆轿车。当一车从静止开始以5m/s2的加速度做匀加速直线运动时,其前方300m处的甲车正以25m/s的速度做匀速直线运动。求当乙车的速度多大时(或经多长时间)两车相距最远,最远距离是多少? 2.小亮站在水平地面上,手持不可伸长的轻绳一端,绳的 另一端系有质量为M的小球。甩动手腕,使小球在竖直平面 内做圆周运动。当某次运动到最低点时绳突然断了,球飞 行水平距离L后落地,如图所示。已知握绳的手离地面的 距离为d,手与球之间的绳长为3L/4,重力加速度为g.忽略 L 手的运动半径和空气阻力。求: 绳断时球的速度大小v1和球落地时的速度大小v2; 绳能承受的最大拉力为多大? L 改变绳长,使球重复上述运动,若绳仍在球运动到最低点时断掉,要使球抛出的水平距离最大,绳长应为多少? (2014合肥三模第20题)如图,一小球从光滑曲面 由静止释放,离开轨道末端后做平抛运动,最后撞到 离轨道末端水平距离为d的竖直墙壁上,要使小球撞到 墙壁时的速度最小,小球由静止释放的高度h为 d B.d/2 C.d/3 D .2d 此外,诸如某固定电源,当负载阻值为多大时其输出功率最大,也用此法。 导数法求最值(导函数f(x)=0时取最值)。所求量的表达式含有变量的多次幂或多种形式时更适用。 例3每年的7、8月份是长江的主汛期,期间江水流速较大。去年8月

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