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        談力的矢量三角形法在求解極值問題中的應用

        2021-02-21 08:17:49吳金波
        物理教學探討 2021年1期
        關(guān)鍵詞:動態(tài)分析科學思維

        吳金波

        摘? ?要:在求解力學極值問題中,常見的教輔資料上的處理方法是代數(shù)法,該法需要學生有較強的數(shù)學推演能力,往往很多學生不具備這種能力。文章通過三道例題,采用學生在受力平衡的動態(tài)分析問題中已經(jīng)很熟悉的力的矢量三角形法求解,與代數(shù)解法相比,力的矢量三角形法可以大大簡化運算過程,降低了問題切入的門檻,提高了學生突破極值問題的信心,拓展了學生的科學思維。

        關(guān)鍵詞:受力平衡;動態(tài)分析;力的矢量三角形法;極值問題;科學思維

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A ? ? 文章編號:1003-6148(2021)1-0056-3

        在高三物理備考過程中,經(jīng)常遇到各種臨界問題。所謂臨界問題,就是指當某物理量變化時,會引起其他幾個物理量的變化,從而使物體所處的平衡狀態(tài)“恰好出現(xiàn)”或“恰好不出現(xiàn)”,在問題的描述中常常會有“剛好”或者“恰好”等字眼給予暗示。在這些變化過程中,又伴隨著極值出現(xiàn)。本文所討論的極值,是平衡態(tài)(靜態(tài)平衡或者動態(tài)平衡)問題中的極值。所謂力的平衡問題中的極值,是指在力的變化過程中,某些力會出現(xiàn)最大值或者最小值問題。

        這里談到的力的矢量三角形法,是指一個物體受到三個力而平衡(靜態(tài)平衡或者動態(tài)平衡)時,由這三個力矢量首尾依次相連得到的矢量三角形。這三個力的特點分別是:①一個恒力(一般是指受力物體的重力);②一個變力,其方向不變而大小變化;③另外一個變力的大小和方向都在變化。通過大小和方向都在變化的那個力的方向變化情況,畫出滿足條件的力的矢量三角形,直接從幾何圖形中可以看出兩個變力的變化情況,從中很容易找到變力的極值位置。

        筆者發(fā)現(xiàn),大部分學生在已經(jīng)比較熟練地掌握了受力平衡的動態(tài)分析的矢量三角形法的情況下,對于求極值這類問題的計算題的處理上,很多數(shù)學基礎薄弱的學生,總是沒有信心去解答這類問題。因為學生在處理這類計算題時,總是從力的平衡條件入手列出平衡方程,然后經(jīng)過一系列相對復雜的數(shù)學推演,才能得到某個變力與一個(或者幾個)恒力(往往是重力)以及某個角度的代數(shù)關(guān)系,然后由數(shù)學求極值的方法討論出結(jié)果。筆者還發(fā)現(xiàn),大部分的教輔資料在求極值計算題的問題上,都是采用代數(shù)法來處理??赡苁鞘艿浇梯o資料解法的影響,也可能是很多授課老師(筆者聽過幾個公開課的老師就是這么講的)也是這么處理問題,導致學生在處理動態(tài)分析的極值問題上,面對這類問題的計算題時,只會利用代數(shù)法求極值,并且感到困難。既然學生用代數(shù)法處理極值問題有困難,教師就有責任引導學生熟悉同種問題的兩種方法,拓展、提高學生的科學思維能力。

        例1 如圖1所示,重力為G的小球用輕繩懸于O點,用力F拉住小球,使輕繩保持偏離豎直方向60°角且不變,當F與豎直方向的夾角為θ時F最小,則θ、F的值分別為(? ? )

        代數(shù)法的解析 分解小球重力如圖2,沿繩OA的分力FOA方向確定,另一分力F′方向不確定,但由三角形定則可以看出,另一分力F′的大小與θ角的大小有關(guān)。由數(shù)學知識可知,當F′的方向與繩OA垂直時F′最小,力F最小,所以θ=30°,F(xiàn)min=Gcos30°=G,故答案為B選項。

        力的矢量三角形法的解析 首先對A球受力分析(如圖3),然后將G、F和FOA首尾依次相連,構(gòu)成力的矢量三角形(如圖4),由于A球受力情況滿足受力平衡的動態(tài)分析方法之力的矢量三角形法的三個特點:G為恒力,F(xiàn)OA的方向與豎直方向的夾角恒為60°,F(xiàn)的大小和方向都可以變化,動態(tài)矢量三角形如圖4所示,很容易看出,當F與豎直方向的夾角θ=30°時,F(xiàn)有最小值,即Fmin=G。

        當然,對于這類相對比較簡單的極值問題,用代數(shù)法和幾何法處理的難度都不大,哪種方法學生都容易掌握。但是,對于一些需要較復雜的數(shù)學推演和討論才能求解的極值問題,對于數(shù)學基礎薄弱的學生,就顯得捉襟見肘了。這時,如果授課老師引導學生利用學生已經(jīng)熟知的力的矢量三角形法處理,會讓學生有種醍醐灌頂?shù)母杏X。

        例2 如圖5所示,質(zhì)量為M的斜劈傾角為θ,在水平面上保持靜止,當將一質(zhì)量為m的木塊放在斜面上時正好勻速下滑。如果用與斜面成α角的力F拉著木塊沿斜面勻速上滑。已知m=1 kg,θ=15°,g=10 m/s2,求F的最小值以及對應的α的取值。

        這種解法很粗糙,每個運動狀態(tài)都沒有相應的受力分析,這不是一個好的示范解法。

        力的矢量三角形法的解析 木塊在斜面上向下勻速下滑,對m受力分析如圖6所示,由平衡條件有:mgsinθ=μmgcosθ,得μ=tanθ。

        在拉力F作用下勻速向上滑動時,對m受力分析如圖7所示。

        教學啟示 通過三個例題,分析了力學動態(tài)分析中極值問題的兩種解法:代數(shù)法和力的矢量三角形法。大部分高三復習資料在處理這類極值問題時,都是采用代數(shù)法,而很多學生的數(shù)學能力又達不到能力要求。很多學生已經(jīng)掌握了力的矢量三角形法,只是思維的角度沒有達到,經(jīng)過教師的引導,特別是物體受四個力的動態(tài)分析極值問題時,有了教師的指導,大部分學生會有一種醍醐灌頂?shù)母杏X。所以,在這個問題的處理上,建議授課教師可以兩種方法都用,拓展學生的科學思維能力。

        (欄目編輯? ? 羅琬華)

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