一道高中力學(xué)題的十種解法

李紅偉 姜付錦

(1.杭州市余杭第一中學(xué),浙江 杭州 311100;2.黃陂一中試題研究中心,湖北 武漢 430300)

高中物理力學(xué)中有一類問題很有趣——極值問題[1-2],這類問題與高中數(shù)學(xué)聯(lián)系非常緊密.解決這類問題通常是兩類方法,一類是解析法,所用的思想是三角函數(shù)、不等式、判別式等思想;另一類是圖解法,所用的思想基本上是點(diǎn)到直線垂線的距離最短[3-4].這些思想與方法若用熟練后,還可以融會(huì)貫通到其他章節(jié)中使用,這也印證了物理學(xué)一種說法:千題萬(wàn)題源自母題,千變?nèi)f變方法不變.

1 題目

如圖1所示,物體與水平面之間的摩擦因數(shù)為μ,物體的質(zhì)量為m,為了使物體在水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng),則拉力的最小值是多少?

圖1 題目圖

2 解析

2.1 方法一:積化和差,方顯物理的數(shù)學(xué)本質(zhì)

設(shè)拉力為F,拉力與水平面的夾角為θ,對(duì)物體進(jìn)行受力分析后,得

上式中的分子為一個(gè)定值,只要能求出分母的極值就可以得到拉力的最小值.

2.2 方法二:矢量三角形,盡顯平面幾何的魅力

如圖2所示,可以將地面的支持力與摩擦力合成為一個(gè)力,它與豎直方向的夾角為α,則tanα=μ.三物體受到的三個(gè)力的矢量可以組成一個(gè)閉合的矢量三角形,再根據(jù)點(diǎn)到直線垂線段最短,可以得

圖2 矢量三角形

2.3 方法三:判別式法,體現(xiàn)代數(shù)的無窮能力

設(shè)cosθ+μsinθ=a,則化簡(jiǎn)消去cosθ得

(1+μ2)sin2θ-2aμsinθ+a2-1=0

因?yàn)閟inθ有解,所以上面的等式中的Δ≥0,可以求得

(2aμ)2-4(1+μ2)(a2-1)≥0,

整理后得

2.4 方法四:柯西不等式,具有深入淺出的能力

2.5 方法五:向量點(diǎn)乘,也可以化腐朽為神奇

圖3 向量法

上式中的α為兩個(gè)向量的夾角,當(dāng)且僅當(dāng)它們夾角為零時(shí),向量積有最大值,即

2.6 方法六:函數(shù)求導(dǎo),讓復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化

將cosθ+μsinθ對(duì)角度求導(dǎo)并使其為零,則

2.7 方法七:勾股定理,也可以另辟蹊徑

如圖4所示,構(gòu)造下面的直角梯形ABED,取∠ACD=θ,AC=1,BC=μ,則AG=cosθ+μsinθ

圖4 構(gòu)造圖形法

2.8 方法八:構(gòu)造對(duì)偶式,柳暗花明又一村

令a=cosθ+μsinθ,其對(duì)偶式為b=sinθ-μcosθ

將這兩個(gè)式子的平方相加得:

a2+b2=1+μ2

2.9 方法九:線性規(guī)劃,也可以妙筆生花

如圖5所示,令圓和直線分析為,x2+y2=1,z=x+μy=cosθ+μsinθ,則

圖5 線性規(guī)劃法

當(dāng)直線z=x+μy平移到與圓相切時(shí)最大,根據(jù)點(diǎn)到直線距離求出

所以拉力的最小值為

2.10 方法十:極坐標(biāo)方程,完美再現(xiàn)解析幾何的威力

圖6 極坐標(biāo)法

當(dāng)ρ2有最大值時(shí),ρcosθ+μρsinθ最大,即cosθ+μsinθ=ρ有最大值.

ρ2=x2+y2即圓上點(diǎn)到原點(diǎn)的距離.

3 兩道例題

下面通過兩道例題來展示這道母題的特點(diǎn)與規(guī)律.

例1如圖7所示,質(zhì)量m=5.2 kg的金屬塊放在水平地面上,在斜向右上的拉力F作用下,向右以v0=2.0 m/s的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng).已知金屬塊與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,g=10 m/s2.求所需拉力F的最小值.

圖7 例1題圖

例2如圖8(a)所示,木板與水平地面間的夾角θ可以隨意改變,當(dāng)θ=30°時(shí),可視為質(zhì)點(diǎn)的一小物塊恰好能沿著木板勻速下滑.如圖8(b),若讓該小物塊從木板的底端每次均以大小相等的初速度v0=10 m/s沿木板向上運(yùn)動(dòng),隨著θ的改變,小物塊沿木板向上滑行的距離x將發(fā)生變化,重力加速度g取10 m/s2.

圖8 例2題圖

(1)求小物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù);

(2)當(dāng)θ角滿足什么條件時(shí),小物塊沿木板向上滑行的距離最小,并求出此最小值.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過以上十種方法的分析不難發(fā)現(xiàn),在物理題目中處理極值問題時(shí),方法基本都是數(shù)學(xué)中的常見的知識(shí),平面幾何、解析幾何、向量法、判別式法、不等式法都是用武之地,就是線性規(guī)劃也能有精彩的分析.這樣的分析方法不僅體現(xiàn)了物理學(xué)科數(shù)學(xué)本質(zhì),也充分證明了數(shù)學(xué)思想的多樣性和靈活性.