例談導數在求物理極值問題中的應用
“導數與微分”已列入高中數學教學大綱,將成爲高考的熱點之一。高中物理教學大綱中明確指出“應用數學處理物理問題的能力”是物理教學的一項重要內容,是高考能力考查的重要組成部分。爲了體現數學學科的工具性和實用性,加強學科間的`滲透,並由此強化對學生的能力考查。本文僅僅舉幾例說明導數在求物理極值問題中應用。
例1 一輛小車在軌道上行駛的速度爲可達50km/h,在軌道外的平地上行使速度可達40km/h,與軌道的垂直距離爲30km的處有一基地,如圖1所示,問小車從基地出發到離點100km的處的過程中最短需要多少時間(設小車在不同路面上的運動都是勻速運動,啓動時的加速時間可忽略不計)?
解析 如圖1所示,設段的距離爲則小車走完全程所用時間可表示爲:
求的導數得
令即,解得。
當時,;當時時,,(左負右正)。
因此當時,時間有最小值,即
如圖2所示電路中,電阻可變電阻,電源的電動勢爲,內電
阻爲,求爲多大時,電源的輸出功率最大?最大值是多少?
解析 據功率公式及閉合電路歐姆定律得,求導得,
令,解得,或(捨去)。當時,;當時,(左正右負)。因此當時,有最大值,即 。
在電場強度爲的水平勻強電場中,以初速
度爲豎直向上發射一個質量爲、帶電量爲的小球,求小球在運動中具有的最小速度。
解析 運用運動合成的知識
求解。如圖3所示,小球在水平方向上做初速度爲零的勻加速運動,在豎直方向上做勻減速運動,取如圖3所示的平面座標系,設經過時間,小球的分速度分別爲
且 ,
則小球在時刻的合速度爲
設,對求導得
,
令,解得 。當時,;當時,。 (左負右正)故當時,有最小值,即
故速度的最小值爲
,即 。
應用導數知識求物理極值的目的在於拓寬學生的解題思路,開拓視野,展示物理和數學的密切關係,提高學生應用數學知識解決物理問題的能力。
例談導數在求物理極值問題中的應用
學問君
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