分析物理试题中的数学味道(2)
A.B.
C.D.
分析:带电粒子垂直磁感线进入匀强磁场做匀速圆周运动,轨迹圆和磁场区域圆相交,两圆心的连线与弦(射入点、射出点连线)垂直平分。运动方向改变了60°,故磁偏转的圆心角为60°,据此可先做出轨迹圆的示意图,再做相匹配的磁场区域圆的示意图,通过几何证明:磁场区域圆的圆心、轨迹圆的圆心及射入点构成的三角形是等腰三角形,即可顺利求解。本题设置的障碍是:先给出了磁场区域圆的示意图,考生据此画轨迹圆的示意图,却很难画出符合要求的图形来,造成解题的困难,正中了命题者的圈套。如果考生能将数学平面几何中的圆相交的知识应用到此题来,主动跳出题目陷阱,解答此题便是顺理成章的事。通过几何作图和几何证明,轨迹圆的半径r=R,由牛顿第二定律,得qvB=m,联立求解v=,故B答案正确。
五、应用函数思想分析取最值的条件
【例5】(2013·揭阳模拟)如图5所示为某娱乐场的滑道示意图,其中AB为曲面滑道,BC为水平滑道,水平滑道BC与半径为1.6m的圆弧滑道CD相切,DE为放在水平地面上的海绵垫.某人从坡顶滑下,经过高度差为20m的A点和B点时的速度分别为2m/s和12m/s,在C点做平抛运动,最后落在海绵垫上E点.人的质量为70kg,在BC段的动摩擦因数为0.2.问:
(1)从A到B的过程中,人克服阻力做的功是多少?
(2)为保证在C点做平抛运动,BC的最大值是多少?
(3)若BC取最大值,则DE的长是多少?
分析:(1)设克服阻力做的功为Wf,则阻力做功为-Wf
对人从A→B过程,由动能定理,得mgh-Wf=mvB2-mvA2①
解得Wf=9100J②
(2)从C点飞出曲率半径恰好为圆弧半径时,BC的长度取最大值在C点,只有重力提供向心力,由牛顿第二定律,得mg=m③
对人从B→C过程,由动能定理,得
-umgl=mvC2-mvB2④
联立③④解得l=32m⑤
即BC的最大值为32m.
(3)由平抛运动规律,得R=gt2⑥
s+R=vCt⑦
联立③⑥⑦解得s=0.66m⑧
点评:此题难在第(2)问,第(2)问又难在分析取值的条件:要保证在C点做平抛运动,飞出时只有重力提供向心力,mg=m(为曲率半径),推出“曲率半径越小,C点的速度越小;C点速度越小,BC的长度越大(可由-umgl=mvC2-mvB2l=推出)”;结合圆弧轨道限制条件,≥R,故曲率半径恰好为圆弧轨道的半径时,BC取最大值。函数关系就是变量和变量之间的依赖关系;而物理中的关系式是物理量和物理量之间关系,当一个物理量变化,必然引起相关的物理量发生变化,其实就是一种函数变化关系。
除此之外,像解直角三角形与矢量的合成与分解、三角函数与正弦交流电、平面向量与矢量运算、数量积与功的表达式、y=asinx+bcosx求最值等都是数学物理结合的典型题材。以上几个例子只是应用数学知识处理物理问题的一个缩影,但却很好地诠释了恰当应用数学工具解决物理问题的方便性、快捷性和有效性,往往可以达到出奇制胜、事半功倍的效果。因此,广大物理教师在平时的教学中要善于挖掘数学与物理的结合点,尽可能地将数学知识应用到物理中来,体现数学的工具功能,以达到培养学生应用数学解决物理问题的能力,提高学生的理论探究水平和能力,促进学生思维的发展和提高思维品质。
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