簡析如何在物理解題中運(yùn)用“微元法”

李偉成

摘要：本文結(jié)合例題簡要探究了“微元法”在物理解題中的應(yīng)用，希望能給我們的物理解題教學(xué)帶來幫助。

關(guān)鍵詞：“微元法”；物理解題；應(yīng)用

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2017）09-0125

“微元法”是分析、解決物理問題的常用方法，也是從部分到整體的思維方法。利用“微元法”處理問題時，需將復(fù)雜的物理過程分解為眾多微小的、遵循相同規(guī)律的“元過程”（微元），從而將非理想物理模型變成理想物理模型，然后利用必要的數(shù)學(xué)和物理方法處理“元過程”（微元），從而解決問題。下面，筆者僅就“微元法”在物理解題中的應(yīng)用，贅述膚淺認(rèn)識。

一、“微元法”解題的一般步驟

1. 選取微元用以量化元事物或元過程；2. 視元事物或元過程為恒定，運(yùn)用相應(yīng)的規(guī)律給出待求量對應(yīng)的微元表達(dá)式；3. 在微元表達(dá)式的定義域內(nèi)施以疊加演算，進(jìn)而求得待求量；

二、“微元法”在解題中的應(yīng)用

1. 直接以微元為研究對象解題

對于連續(xù)變化過程中某個量，以全過程為研究對象難以求解，可選取微元為研究對象解題。

例1. 高壓采煤水槍出口的橫截面積為s，水的射速為v，射到煤層上后水柱的速度變?yōu)榱悖羲拿芏葹棣?，求水對煤的沖力。

【解析】用微元法分析，取沖到墻上的一小段水柱為研究對象，設(shè)這一小段水的質(zhì)量為Δm，則Δm=ρvΔts。取水平向左為正方向，由動量定理得：FΔt=P′-P=Δmv=ρvΔtsvF=ρv2s由牛頓第三定律，水對煤層的沖力F′=-F=-ρv2s，其中負(fù)號表示方向水平向右。

例2. 陰極射線管中，由陰極K產(chǎn)生的熱電子（初速為零）經(jīng)電壓U 加速后，打在陽極A 板上。若A板附近單位體積內(nèi)的電子數(shù)為N，電子打到A板上即被吸收。求電子打擊A板過程中A板所受的壓強(qiáng)。（已知電子的電量為e、質(zhì)量為m）

【解析】用微分法分析：

在時間Δt內(nèi)打在A板S面積上的電子數(shù)：N′=N（νΔt）S①

動能定理：eU=■mν2②

動量定理：PSΔt=N′mν③

由①②③得：P=2NeU

2. 取微元為研究對象再求和解題

功是力在位移上的積累，沖量是力對時間的積累，位移是速度對時間的積累，電量是電流對時間的積累……一些習(xí)題中常需要求解一個變化量對另一個量的積累。解這類問題，微元法是常用方法。取微元，再結(jié)合微元的物理意義，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具（如運(yùn)用圖象面積）求得微元之和，?？善平怆y點(diǎn)。

例3. 如圖所示，頂角θ=45°的金屬導(dǎo)軌MON固定在水平面內(nèi)，導(dǎo)軌處在方向豎直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，一根與ON垂直的導(dǎo)體棒在水平外力作用下以恒定的速度v0沿導(dǎo)軌MON向右運(yùn)動，導(dǎo)體棒的質(zhì)量為m，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒單位長度的電阻均為r。導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌的接觸點(diǎn)為a和b，導(dǎo)體棒在滑動過程中始終保持與導(dǎo)軌良好接觸。t=0時，導(dǎo)體棒位于頂角O處，若在時

刻將外力撤去，求導(dǎo)體棒最終在導(dǎo)軌上靜止時的坐標(biāo)x。

【解析】導(dǎo)體棒做變加速運(yùn)動，運(yùn)動過程中導(dǎo)體棒有效長度、受力、速度都在不斷變化，故利用牛頓定律和運(yùn)動學(xué)公式求位移，顯然不行。能否取微元求和，通過求面積來求位移？取足夠短時間微元Δt，在Δt內(nèi)導(dǎo)體棒的運(yùn)動可視為勻速運(yùn)動，導(dǎo)體棒有效長度、電流均視為恒定。

撤去外力后，設(shè)任意時刻t導(dǎo)體棒的坐標(biāo)為x，速度為v，有效長度為l，Δt內(nèi)通過距離Δx，則在t～t+Δt時間內(nèi)，由動量定理得

BllΔt=mΔν

■Δs=mΔν （極短時間內(nèi)：lνΔt=lΔx=Δs）

■■Δs=■mΔν

■■Δs=mν0

導(dǎo)體棒掃過面積

Δs=■=■（x0=ν0t0）

x=■

（作者單位：廣西梧州市第十五中學(xué) 543000）endprint