石震陽

[摘要]用數(shù)學(xué)方法處理物理問題的題目在全國卷和地方卷都有所出現(xiàn)。此類題目難度較大，綜合考查了學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力、物理思維能力和解決問題能力。求解物理問題離不開數(shù)學(xué)方法。

[關(guān)鍵詞]數(shù)學(xué)方法;物理問題;函數(shù);圖形;歸納

[中圖分類號]

G633.7

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A

[文章編號] 1674-6058（2020）17-0048-02

物理和數(shù)學(xué)緊密相連，密不可分。學(xué)好物理需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。處理物理計(jì)算題離不開數(shù)學(xué)方法和縝密的計(jì)算。多年的物理教學(xué)實(shí)踐證明，數(shù)學(xué)成績好的學(xué)生一般物理成績都不會(huì)差。物理成績好的學(xué)生，數(shù)學(xué)成績一定好。本文結(jié)合典型例題探討運(yùn)用數(shù)學(xué)方法分析解決高中物理問題。

一、應(yīng)用正、余弦定理和幾何圖形解決物理問題

正、余弦定理是數(shù)學(xué)中解三角形時(shí)常用的兩個(gè)定理，學(xué)生在解決物理問題時(shí)也經(jīng)常遇到三角形的問題，正確運(yùn)用正、余弦定理和幾何圖形解決物理問題，往往能收到事半功倍的效果。

[例1]（2019.山東日照市3月模擬）如圖1所示，兩個(gè)質(zhì)量分別為、/3m、m的小網(wǎng)環(huán)A、B用不可伸長的細(xì)線連著，套在一個(gè)豎直固定的大網(wǎng)環(huán)上，大網(wǎng)環(huán)的圓心為O。系統(tǒng)平衡時(shí)，細(xì)線所對的網(wǎng)心角為90°，大網(wǎng)環(huán)和小網(wǎng)環(huán)之間的摩擦力及細(xì)線的質(zhì)量忽略不計(jì)，重力加速度大小用g表示，下列判斷正確的是（

）。

A.小網(wǎng)環(huán)A、B受到大圓環(huán)的支持力之比是、/3：1

B.小網(wǎng)環(huán)A受到大圓環(huán)的支持力與豎直方向的夾角為15。

C.細(xì)線與水平方向的夾角為30°

D.細(xì)線的拉力大小為

解析：對A和B進(jìn)行受力分析，根據(jù)平行四邊形定則作出重力和支持力的合力，此合力的大小等于繩子的拉力的大小，設(shè)A、B所受的支持力與豎直方向的夾角分別為α和β，如圖2所示。

再題圖中，根據(jù)幾何知識可以知道，細(xì)線與水平方向的夾角為180°-（45°+30°）-90°=15°，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤。

思路分析：要正確分析小網(wǎng)環(huán)A、B的受力情況，首先作出重力和支持力的合力。在網(wǎng)上畫出A、B所受的支持力與豎直方向的夾角α、β是解題的關(guān)鍵。然后正確運(yùn)用正弦定理解題。

二、應(yīng)用三角函數(shù)分析物理問題

在處理物理矢量問題時(shí)，常常用三角函數(shù)知識來分析解決。三角函數(shù)不僅是高考數(shù)學(xué)的重要考點(diǎn)，也是處理物理矢量問題時(shí)不可缺少的解題方法。

[例2]（2019.山西臨汾市二輪復(fù)習(xí)模擬）如圖3所示是一旅行箱，它既可以在地面上推著行走，也可以在地面上拉著行走。已知該旅行箱的總質(zhì)量為15kg，一旅客用斜向上的拉力拉著旅行箱在水平地面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，若拉力的最小值為90N，此時(shí)拉力與水平方向間的夾角為θ，重力加速度大小為g=10m/s₂，sin 37°=0.6，旅行箱受到地面的阻力與其受到地面的支持力成正比，比值為μ，則（

）。

A.μ= 0.5，θ=37°

B.μ= 0.5，θ=53°

C.μ= 0，75，θ=53°

D.μ= 0.75，θ=37°

解析：對旅行箱進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

根據(jù)平衡條件，水平方向，有：Fcosθ-F^f=0

豎直方向有：F^N+Fsinθ-G=0

其中：F^f=μF^N，

思路分析：用三角函數(shù)知識處理物理問題的情形比較多，本題主要通過角度的分析，處理旅行箱的受力情況。通過力的正交分解，并應(yīng)用相關(guān)三角函數(shù)知識，使問題迎刃而解。

三、應(yīng)用歸納法解決物理問題

在解決某些數(shù)學(xué)問題時(shí)，可以采用歸納法，即從個(gè)別的、特殊的事例出發(fā)，推出一般的、普遍的規(guī)律。數(shù)學(xué)歸納法對人的思維要求較高，高中物理的某些問題也離不開數(shù)學(xué)歸納法。

[例3]（2019.山東日照市3月模擬）如圖5所示，在平面直角坐標(biāo)系xOy的第一、二象限內(nèi)，存在以虛線OM為邊界的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場。勻強(qiáng)電場方向沿y軸負(fù)方向，勻強(qiáng)磁場方向垂直于xOy平面向里，虛線OM與x軸負(fù)方向成45。角。一質(zhì)量為m、電荷量為+q的帶電粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)O處以初速度v⁰沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，粒子每次到達(dá)x軸將反彈，第一次反彈無能量損失，以后每次反彈水平分速度不變、豎直分速度大小均減為反彈前的1/2，方向相反。電場強(qiáng)度大小等于mv⁰/16gd，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小等于mv⁰/gd求：（不計(jì)粒子重力，題中各物理量單位均為國際單位，計(jì)算結(jié)果可用分式表示）

（1）帶電粒子第三次經(jīng)過OM時(shí)的坐標(biāo);

（2）帶電粒子第三次到達(dá)OM時(shí)經(jīng)過的時(shí)間;

（3）帶電粒子從第二次進(jìn)入電場開始，沿電場方向運(yùn)動(dòng)的總路程。

粒子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示，由圖可知，帶電粒子第三次經(jīng)過OM時(shí)的坐標(biāo)為（-2d，2d）;

（3）因粒子第二次進(jìn)入電場做類平拋運(yùn)動(dòng)，故到達(dá)x軸時(shí)的水平分速度為v⁰。

第一次豎直分速度減半反彈，豎直分速度為：

第二次豎直分速度減半反彈，豎直分速度為：

思路分析：數(shù)學(xué)歸納法是高考數(shù)學(xué)主觀題?？贾R點(diǎn)之一，也是處理物理問題常用方法之一。本題第三小問恰如其分地運(yùn)用了數(shù)學(xué)歸納法。正確分析計(jì)算出第一次豎直分速度和高度就成功了一半。

高中物理中的極大值、極小值、臨界值、邊界值等物理問題常常需要用數(shù)學(xué)方法來解決。希望一線教師在教學(xué)中有針對性地加強(qiáng)這方面的訓(xùn)練，提高學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決物理問題的能力。

（責(zé)任編輯 易志毅）