数学方法在物理中的应用

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1、数学是解决物理问题的重要工具，借助数学方法可使一些复杂的物理问题显示出明显的规律性，能达到打通关卡、长驱直入地解决问题的目的中学物理考试大纲中对学生应用数学方法解决物理问题的能力作出了明确的要求，要求考生有“应用数学处理物理问题”的能力对这一能力的考查在历年高考试题中也层出不穷所谓数学方法，就是要把客观事物的状态、关系和过程用数学语言表达出来，并进行推导、演算和分析，以形成对问题的判断、解释和预测可以说，任何物理问题的分析、处理过程，都是数学方法的运用过程本专题中所指的数学方法，都是一些特殊、典型的方法，常用的有极值法、几何法、图象法、数学归纳推理法、微元法、等差(比)数列求和法等一、极值法数

2、学中求极值的方法很多，物理极值问题中常用的极值法有：三角函数极值法、二次函数极值法、一元二次方程的判别式法等1利用三角函数求极值yacosbsin(a2b2acosa2b2bsin)令sina2b2a，cosa2b2b则有：y(sincoscossin)sin()所以当2时，y有最大值，且ymax2利用二次函数求极值二次函数：yax2bxca(x2abx4a2b2)c4ab2a(x2ab)24a4acb2(其中a、b、c为实常数)，当x2ab时，有极值ym4a4acb2(若二次项系数a0，y有极小值；若a0，y有极大值)3均值不等式对于两个大于零的变量a、b，若其和ab为一定值p，则当ab时，

3、其积ab取得极大值4p2；对于三个大于零的变量a、b、c，若其和abc为一定值q，则当abc时，其积abc取得极大值27q3二、几何法利用几何方法求解物理问题时，常用到的有“对称点的性质”、“两点间直线距离最短”、“直角三角形中斜边大于直角边”以及“全等、相似三角形的特性”等相关知识，如：带电粒子在有界磁场中的运动类问题，物体的变力分析时经常要用到相似三角形法、作图法等与圆有关的几何知识在力学部分和电学部分的解题中均有应用，尤其在带电粒子在匀强磁场中做圆周运动类问题中应用最多，此类问题的难点往往在圆心与半径的确定上，确定方法有以下几种1依切线的性质确定从已给的圆弧上找两条不平行的切线和对应的切

4、点，过切点作切线的垂线，两条垂线的交点为圆心，圆心与切点的连线为半径2依垂径定理(垂直于弦的直径平分该弦，且平分弦所对的弧)和相交弦定理(如果弦与直径垂直相交，那么弦的一半是它分直径所成的两条线段的比例中项)确定如图1所示图1由EB2CEEDCE(2RCE)得：R2CEEB22CE也可由勾股定理得：R2(RCE)2EB2解得：R2CEEB22CE以上两种求半径的方法常用于求解“带电粒子在匀强磁场中的运动”这类习题中三、图象法中学物理中一些比较抽象的习题常较难求解，若能与数学图形相结合，再恰当地引入物理图象，则可变抽象为形象，突破难点、疑点，使解题过程大大简化图象法是历年高考的热点，因而在复习中

5、要密切关注图象，掌握图象的识别、绘制等方法1物理图象的分类整个高中教材中有很多不同类型的图象，按图形形状的不同可分为以下几类(1)直线型：如匀速直线运动的s-t图象、匀变速直线运动的v-t图象、定值电阻的U-I图象等(2)正弦曲线型：如简谐振动的xt图象、简谐波的y-x图象、正弦式交变电流的e-t图象、正弦式振荡电流的i-t图象及电荷量的q-t图象等下面我们对高中物理中接触到的典型物理图象作一综合回顾，以期对物理图象有个较为系统的认识和归纳图象函数形式特例物理意义yc匀速直线运动的vt图象做匀速直线运动的质点的速度是恒矢量ykx匀速直线运动的st图象初速度v00的匀加速直线运动的vt图象(若v

6、00，则纵截距不为零)纯电阻电路的IU图象表示物体的位移大小随时间线性增大表示物体的速度大小随时间线性增大表示纯电阻电路中I随导体两端的电压U线性增大yakx匀减速直线运动的vt图象闭合电路中的UI图象(UEIr)表示物体的速度大小随时间线性减小表示路端电压随电流的增大而减小yxbx(双曲线函数)由纯电阻用电器组成的闭合电路的UR图象(URrR)在垂直于匀强磁场的导轨上，自由导体棒在一恒定动力F的作用下做变加速运动的vt图象表示纯电阻电路中电源的端电压随外电阻而非线性增大将达到稳定速度vmB2L2FR总ykx2(抛物线函数)小灯泡消耗的实际功率与外加电压的P-U图象位移与时间的s-t图象(s2

7、1at2)表示小灯泡消耗的实际功率随电压的增大而增大，且增大得越来越快表示位移随时间的增大而增大，且增大得越来越快xyc(双曲线函数)机械在额定功率下，其牵引力与速度的关系图象(PFv)表示功率一定时，牵引力与速度成反比yAsint交流电的et图象(eEmsint)表示交流电随时间变化的关系2物理图象的应用(1)利用图象解题可使解题过程更简化，思路更清晰利用图象法解题不仅思路清晰，而且在很多情况下可使解题过程得到简化，起到比解析法更巧妙、更灵活的独特效果甚至在有些情况下运用解析法可能无能为力，但是运用图象法则会使你豁然开朗，如求解变力分析中的极值类问题等(2)利用图象描述物理过程更直观从物理图

8、象上可以比较直观地观察出物理过程的动态特征(3)利用物理图象分析物理实验运用图象处理实验数据是物理实验中常用的一种方法，这是因为它除了具有简明、直观、便于比较和减少偶然误差的特点外，还可以由图象求解第三个相关物理量，尤其是无法从实验中直接得到的结论3对图象意义的理解(1)首先应明确所给的图象是什么图象，即认清图象中比纵横轴所代表的物理量及它们的“函数关系”，特别是对那些图形相似、容易混淆的图象，更要注意区分例如振动图象与波动图象、运动学中的st图象和vt图象、电磁振荡中的it图象和qt图象等(2)要注意理解图象中的“点”、“线”、“斜率”、“截距”、“面积”的物理意义点：图线上的每一个点对应研

9、究对象的一个状态要特别注意“起点”、“终点”、“拐点”、“交点”，它们往往对应着一个特殊状态如有的速度图象中，拐点可能表示速度由增大(减小)变为减小(增大)，即加速度的方向发生变化的时刻，而速度图线与时间轴的交点则代表速度的方向发生变化的时刻线：注意观察图线是直线、曲线还是折线等，从而弄清图象所反映的两个物理量之间的关系斜率：表示纵横坐标上两物理量的比值常有一个重要的物理量与之对应，用于求解定量计算中所对应的物理量的大小以及定性分析变化的快慢如vt图象的斜率表示加速度截距：表示纵横坐标两物理量在“边界”条件下物理量的大小由此往往可得到一个很有意义的物理量如电源的UI图象反映了UEIr的函数关系

10、，两截距点分别为(0，E)和，0E面积：有些物理图象的图线与横轴所围的面积往往代表一个物理量的大小如vt图象中面积表示位移4运用图象解答物理问题的步骤(1)看清纵横坐标分别表示的物理量(2)看图象本身，识别两物理量的变化趋势，从而分析具体的物理过程(3)看两相关量的变化范围及给出的相关条件，明确图线与坐标轴的交点、图线斜率、图线与坐标轴围成的“面积”的物理意义四、数学归纳法在解决某些物理过程中比较复杂的具体问题时，常从特殊情况出发，类推出一般情况下的猜想，然后用数学归纳法加以证明，从而确定我们的猜想是正确的利用数学归纳法解题要注意书写上的规范，以便找出其中的规律五、微元法利用微分思想的分析方法

11、称为微元法它是将研究对象(物体或物理过程)进行无限细分，再从中抽取某一微小单元进行讨论，从而找出被研究对象的变化规律的一种思想方法微元法解题的思维过程如下(1)隔离选择恰当的微元作为研究对象微元可以是一小段线段、圆弧或一小块面积，也可以是一个小体积、小质量或一小段时间等，但必须具有整体对象的基本特征(2)将微元模型化(如视为点电荷、质点、匀速直线运动、匀速转动等)，并运用相关的物理规律求解这个微元与所求物体之间的关联(3)将一个微元的解答结果推广到其他微元，并充分利用各微元间的对称关系、矢量方向关系、近似极限关系等，对各微元的求解结果进行叠加，以求得整体量的合理解答六、三角函数法三角函数反映了

12、三角形的边、角之间的关系，在物理解题中有较广泛的应用例如：讨论三个共点的平衡力组成的力的三角形时，常用正弦定理求力的大小；用函数的单调变化的临界状态来求取某个物理量的极值；用三角函数的“和积公式”将结论进行化简等七、数列法凡涉及数列求解的物理问题都具有过程多、重复性强的特点，但每一个重复过程均不是原来的完全重复，而是一种变化了的重复随着物理过程的重复，某些物理量逐步发生着前后有联系的变化该类问题求解的基本思路为：(1)逐个分析开始的几个物理过程；(2)利用归纳法从中找出物理量变化的通项公式(这是解题的关键)；(3)最后分析整个物理过程，应用数列特点和规律求解无穷数列的求和，一般是无穷递减数列，

13、有相应的公式可用等差：Sn2a1anna12n1d(d为公差)等比：Sn1q1qn(q为公比)八、比例法比例计算法可以避开与解题无关的量，直接列出已知和未知的比例式进行计算，使解题过程大为简化应用比例法解物理题，要讨论物理公式中变量之间的比例关系，要清楚公式的物理意义和每个量在公式中的作用，以及所要讨论的比例关系是否成立同时要注意以下几点(1)比例条件是否满足物理过程中的变量往往有多个，讨论某两个量间的比例关系时要注意只有其他量为常量时才能成比例(2)比例是否符合物理意义不能仅从数学关系来看物理公式中各量的比例关系，要注意每个物理量的意义(如不能根据RIU认定电阻与电压成正比)(3)比例是否存

14、在讨论某公式中两个量的比例关系时，要注意其他量是否能认为是不变量如果该条件不成立，比例也不能成立(如在串联电路中，不能认为PRU2中P与R成反比，因为R变化的同时，U也随之变化而并非常量)许多物理量都是用比值法来定义的，常称之为“比值定义”如密度Vm，导体的电阻RIU，电容器的电容CUQ，接触面间的动摩擦因数FNf，电场强度EqF等它们的共同特征是：被定义的物理量是反映物体或物质的属性和特征的，它和定义式中相比的物理量无关对此，学生很容易把它当做一个数学比例式来处理而忽略了其物理意义，也就是说教学中还要防止数学知识在物理应用中的负迁移数学是“物理学家的思想工具”，它使物理学家能“有条理地思考”并能想象出更多的东西可以说，正是有了数学与物理学的有机结合，才使物理学日臻完善物理学的严格定量化，使得数学方法成为物理解题中一个不可或缺的工具