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微商在力学问题中的妙用(图文)

时间:2011-04-22  作者:秩名
导数既然是一个分数,是两个微分之商,那么它的分子分母就可以单独参与乘除运算。我们正是利用这个概念巧用微商的。

二、力学中微商的巧妙运算

直线运动的速度表达式可以改写为,同理,加速度的表达式也可以改写成。虽然这只是一个小小的变形,但在物理学中却有很大的用途。因为力学中的一类问题就是:已知质点的运动状态,求运动方程,必须采用积分运算,所以首先要把运动状态的加速度和速度表示为上面的微分形式,然后再对微分表达式求定积分。而在积分前,需要把等式两边的被积函数中的变量与积分变量统一,在化简时如果采用微商变形,可以使问题大大简化。下面通过几个例子对这种方法进行详细说明。

例一 质点的动能定理的推导。

如图所示,一质量为的质点在合外力的作用下,自点A沿曲线移动到点B,它在点A和点B速率分别为,求此过程中合外力所作的功。

解决这个问题的第一步是要将整个运动过程分割成无限多个微元,微元上的位移元为,显然它沿着运动轨迹的切线方向。假设该位置处合外力与位移元之间的夹角为,则合外力对质点所作的功的微分为

而位移元的大小和路程微分相等,即,所以

由牛顿第二定律及切向加速度的定义,有

故可得

在这里把看成是速率的微分与时间微分的商,可以分开,而把路程的微分与时间微分结合成一个商,这个商就是速率,所以,功的微元变成

对上式积分,于是质点自点A沿曲线移动到点B过程中,合外力所作的总功为

这就是质点的动能定理。

这种方法在解决在阻力作用下的抛体问题时优势更加明显,尤其是阻力与速率有关的情况。

例二 一个质量为的物体,由地面以初速率竖直向上发射,物体受到的空气的阻力为,求物体发射到最大高度所需要的时间和最大高度。

物体在发射过程中,同时受到重力和空气阻力的作用,但阻力是一个随速率变化的力,因此合外力是速率的一次函数,直接运用牛顿定律解题有一定难度。免费论文。而如果把动力学方程改为,把加速度用速度的微分和时间微分的商来表示,可以把方程变成微分形式,利用积分求解,比较方便。

物体在空气中受到重力与阻力作用而减速,由牛顿定律得

统一变量变形得

根据始末条件,对上式积分,有

在求解最大高度时,需要把采用分子、分母同乘以,即,再巧用速率是微分的微商概念,变形为

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