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数学极值与物理极值的区别及求解方法

更新时间:2024-07-13 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

数学中的极值问题主要是解决数学函数与其定义域之间的关系问题,受到数学条件的约束。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

但物理极值与数学极值有着明显的区别,物理极值本质上是物理现象受物理条件制约的动态范围、发展变化趋势和极限,物理极值往往表现为物理约束下的最大值或最小值,这与数学极值有着本质区别。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

从思维表现上来说,寻求极值的过程是一个综合归纳和演绎的过程。在复杂变化的条件中,需要总结出一般的状态表现,在此基础上通过演绎推理,寻求特殊的极值模型。这也是建立理想化的模型,也需要理想化。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

显然高中物理的极值,求极值的过程是一个综合运用几种常规思维方法的高级思维过程。另一方面,求极值的过程需要运用一些初等数学方法,需要扎实的数学基础。从所用数学方法来看,可以采用以下几种方法来寻找极值:8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(一)利用分数性质求极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

【例1】物体A放在水平面上,作用在A上的推力F与水平方向成30°角,如图所示高中物理的极值,使A做匀速直线运动。求物体A与水平面之间的摩擦系数μ的值,使得无论F有多大,A仍能在水平面上做匀速直线运动?8Ei物理好资源网(原物理ok网)

高中物理的极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

解:A所受力如图所示,已知A处于平衡状态,所以:Fcosα=º=μ(G+º),所以F=。已知当公式分母为零时,即F→∞时为匀速运动,sin30º-μcos30º=0,则μ=tg30º=0.58,则F→∞,此时A可在水平面上作匀速直线运动。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(二)利用二次方程求根公式求极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

对于某些问题,通过分析各列之间的关系,最终可以得到一个关于某个未知量的二次方程,它的根可能就是所求的极值,这种方法应用十分广泛。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

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(三)利用二次方程的判别式△=b2-4ac≥O求极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

【例2】一个质量为M的圆环用细线悬挂,两颗质量为m的带孔小珠放在圆环上,可以无摩擦地沿圆环滑动,如图(a)所示。现在把两颗珠子从静止的圆环顶端放开,证明当m>M时,圆环可以上升。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

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证明:以小球为研究对象,所受力如图(a)所示,根据牛顿第二定律可得mgcosθ+N= 根据机械能守恒定律可得mgR(1-cosθ)= 由这两个方程可得N=2mg-θ (1)8Ei物理好资源网(原物理ok网)

上式中,N>0,即cosθM为上升条件。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

总结:从以上例子可以看出,在运用判别式解决问题时,一定要注意所设二次方程的特点,即表示为两个未知数,二次未知数作为自变量,其余量由判别式确定。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(四)利用y=ax2+bx+c的极值条件和物理量的边界条件寻找极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

这里是两种方法的综合运用。一是利用未知量确定的二次三项式的系数求最大(或最小)值,条件为x=-b/2a;二是取题目给出的物理量具体取值范围的边界值,确定最小(或最大)值。把两方面的结果结合起来,就是所求的取值范围。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(五)利用三角函数寻找极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

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(六)利用数学归纳法寻找极值8Ei物理好资源网(原物理ok网)

这种方法在数学中很常用,在物理学中也可以应用留学之路,它所求解问题的已知条件往往表现为连续、无限变化,运用这种方法本身就是典型的归纳思维过程。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(七)其他求极值的方法8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(1)利用排列组合寻找极值;8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(2)利用图像寻找极值;8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(3)利用临界条件寻找极值;8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(4)利用几何方法寻找极值;8Ei物理好资源网(原物理ok网)

(5)求出原子能级跃迁产生的辐射射线的最大数量[C=n]等。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

从以上方法可以看出,灵活运用数学手段是解决问题的保证。但问题中的关键条件必须通过物理分析得到,结果也必须是物理解。物理极值问题需要很强的思维能力,要有针对性地进行训练。要有意识地掌握几种求极值的方法。8Ei物理好资源网(原物理ok网)

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