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        微積分在高中物理教學(xué)及高考中的應(yīng)用

        2016-11-16 03:50:34楊洪偉
        新課程(下) 2016年9期
        關(guān)鍵詞:球心試探元法

        楊洪偉

        (山東省平陰縣第一中學(xué))

        微積分在高中物理教學(xué)及高考中的應(yīng)用

        楊洪偉

        (山東省平陰縣第一中學(xué))

        微積分作為一種重要的數(shù)學(xué)方法,不只在大學(xué)物理中的應(yīng)用十分廣泛,在高中物理中微積分思想也有很多應(yīng)用,并且在高考試題中也時有出現(xiàn)。

        一、高中物理教學(xué)中常見的微積分應(yīng)用

        1.微元法定義瞬時速度

        在高中物理學(xué)習(xí)之初瞬時速度的定義中就涉及微積分思想,求物體在某處的瞬時速度,可在該點(diǎn)附近取一段位移除以對應(yīng)的時間即可得到該段位移的平均速度,所取的位移越小,其對應(yīng)的時間越小,所得到的平均速度越接近所求點(diǎn)的瞬時速度,當(dāng)所取位移近似為零時,所得到的平均速度即可認(rèn)為是所求點(diǎn)的瞬時速度,在該部分內(nèi)容中采用了微元并取極限的方法,其實(shí)就是微積分中最基本的微元思想。

        2.微分與斜率

        3.積分與面積

        在勻變速直線運(yùn)動位移的推導(dǎo)中,由于速度是變化的,采用微元法取非常短的時間,將變化的速度轉(zhuǎn)化為不變的速度,然后用相加的方法,得出v-t圖像所圍的面積表示位移,即借助積分思想來完成。該思想在計算變力做功中同樣加以應(yīng)用,通過微元法取一小段位移,將變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功,并將各段做功相加的方法,得出F-S圖像所圍的面積代表力做功。

        可見,微積分思想在高中物理中出現(xiàn)的并不少,主要采用無限接近思想解決瞬時值問題,通過化變量為恒量的方法來解決變量問題。因此高中階段的瞬時值問題、斜率問題、極值問題、面積問題大多由微積分思想得出。

        二、高考中常見微積分思想應(yīng)用實(shí)例分析

        高中物理教學(xué)中常見的微積分思想在高考試題中也有所體現(xiàn)。

        例1.(2014年山東理綜19題)如圖,半徑為R的均勻帶正電薄球殼,其上有一小孔A。已知?dú)?nèi)的場強(qiáng)處處為零;殼外空間的電場與將球殼上的全部電荷集中于球心O時在殼外產(chǎn)生的電場一樣。一帶正電的試探電荷(不計重力)從球心以初動能Ek0沿OA方向射出。下列關(guān)于試探電荷的動能Ek與離開球心的距離r的關(guān)系圖像,可能正確的是

        A

        B

        C

        D

        分析:本題主要考查動能的改變即動能定理,在本題中試探電荷在球殼內(nèi)不受力,動能不變,為平行r軸的直線。在球殼外,試探電荷只受電場力,電場力做功等于其動能的改變,但由于電場力為變力,可在試探電荷運(yùn)動的軌跡上取一小段微元Δr,將變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功,即ΔEk=qEΔr,其斜率K==qE,q不變,隨r增大E減小,得出斜率減小。

        答案:A。

        例2.(2013年上海物理32題)半徑為R,均勻帶正電荷的球體在空間產(chǎn)生球?qū)ΨQ的電場;場強(qiáng)大小沿半徑分布如圖所示,圖中E0已知,E-r曲線下O-R部分的面積等于R-2R部分的面積。

        (1)寫出E-r曲線下面積的單位;

        (2)已知帶電球在r≥R處的場強(qiáng)E=kQ/r2,式中k為靜電力常量,該均勻帶電球所帶的電荷量Q為多大?

        (3)求球心與球表面間的電勢差△U;

        答案:(1)V(伏特)

        分析:本題主要考查E與U的關(guān)系U=Ed,但該公式只適用于強(qiáng)電場,針對該題的電場變化,采用微元法,取很小的位移將變化的電場轉(zhuǎn)化為不變的電場,求出電壓后求和的方式解決,則要采用化變量為恒量并累加的積分思想解決。

        總之,高中物理教學(xué)不只是知識的傳授,同時還有思想方法的引導(dǎo)和滲透。微積分是物理學(xué)的基本思想方法,是將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為簡單問題的基本方式,在高中物理教學(xué)中加以滲透,既有利于學(xué)生提高成績,也有利于學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展。

        [1]林祥允.微積分思想在高中物理教學(xué)中的幾點(diǎn)應(yīng)用[J].新教育,2012.

        [1]張振.在高中物理中應(yīng)用微積分的研究[J].物理教師,2010.

        ·編輯張慧

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