【數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè)畢業(yè)論文】微元法在物理解題中的應用.doc

畢 業(yè) 論 文 微元法在物理解題中的應用微元法在物理解題中的應用 指導教師姓名： 申請學位級別： 學士 學科、專業(yè)名稱： 數(shù)學與應用數(shù)學 論文提交日期： 論文答辯日期: 學位授予單位： 答辯委員會主席： 評 閱 人： 黃山學院畢業(yè)論文 i 微元法在物理解題中的應用微元法在物理解題中的應用 摘摘 要要 微元法是分析連續(xù)過程積累的一種方法，故在普通物理學中應用廣泛在進入大學學 習之初，常常因從中學的恒力問題過渡到變力問題，時而思路混亂，于是牛頓采用“微 元”方法處理分析物理現(xiàn)象，創(chuàng)立微積分學本文追隨著大師的思想，介紹物理解題所 采用的微元法在力學和電磁學方面的具體的應用 關鍵詞：關鍵詞：微元法，萬有引力，牛頓運動定律，磁通量 微元法在物理解題中的應用 ii the apply of element method in solving physics problems abstract element analysis is the process of continuous accumulation of a method, therefore, in general physics widely used. at the beginning of the study to enter university, often because of the constant force from the secondary issue of the transition to change, sometimes confusing ideas, so newton used“element method”dealing with the physical phenomena analysis, the creation of calculus. this paper recovery with a master of thinking on solving physics problems by using the element method in mechanics and electromagnetic fields of science, the specific application. key words: element method, universal gravitation, newtons laws of motion, flux 黃山學院畢業(yè)論文 iii 目目 錄錄 第一章第一章 緒緒 論論 1 第二章 微元法的定義及應用理論基礎微元法的定義及應用理論基礎 1 2-1 微元法的定義 1 2-2 微元法的應用理論基礎 3 第三章第三章 微元法在力學中的應用微元法在力學中的應用 4 第四章第四章 微元法在電磁學中的應用微元法在電磁學中的應用 6 第五章第五章 總結總結 8 參考文獻參考文獻 9 致致 謝謝 10 黃山學院畢業(yè)論文 1 第一章第一章 緒緒 論論 “微元法”是在物理解題時所采用的一種特殊的分析方法這種方法的精髓就是把確定的研究對象 分割為無限多個無限小的部分，然后抽取其中一部分加以研究，通過對所抽取的這一部分的研究，就 可以認為是整體或全過程的性質和規(guī)律，它實質上是“從復合到單一，從單一到復合”的分析與綜合 思維方法，因此微元法具有廣泛的應用性 第二章第二章 微元法的定義及應用理論基礎微元法的定義及應用理論基礎 2-12-1 微元法的定義微元法的定義 所謂微元法就是指將連續(xù)的（線，面，體）看成無數(shù)個無限?。ň€元，面元，體元）的集合，整 個物體的物理量就變?yōu)闊o限個小微元相應物理量的“無限積累” ，從而將物理問題“翻譯”成為數(shù)學問 題的一種方法微元法在某些文獻中被命名為元過程分析法，它把一個極小的微元過程和一個大過程 視為本質上的相同只要分析透了微元的物理狀況（實際上可推廣到一切動態(tài)變化）及其邊界條件的 相互關系，就可以根據(jù)定積分去推倒全過程的基本規(guī)律 在科學技術領域中，有大量的問題，定量求解它們的途徑都可以歸結為一種和的極限的運動，這 種運算，經過數(shù)學抽象，就成為定積分微元法概念這類問題，在力學中比比皆是，也就是說，在力 學中，有不少的物理量，可以借助于微元法來計算其滿足條件的數(shù)值大小或分析其作為變量的變化期 間和變化規(guī)律，所以，定積分在力學中得到廣泛的應用 應用定積分理論解決力學實際問題的第一步是將實際問題數(shù)學化，這一步往往比較困難，而微元 法（亦稱為微元法分析法，元素法）恰是解決這一困難，實現(xiàn)這種轉換的有力 設求解的實際問題可化為在區(qū)間上的某個量，如果我們在具有代表性的任一小區(qū)間, a bf 上，以“勻代不勻”或“不變代變”找到這個量的微元,則根據(jù)微元,則根據(jù)微, x xdx( )dff x dx 分基本定理，這個量就可以應用定積分計算顯然，解決問題的關鍵是在微( )( )( ) b a f af bf x dx 小的局部上進行數(shù)量分析，尋找并列出正確的微分式，故而這種方法稱為微元法 2-22-2 微元法的應用理論基礎微元法的應用理論基礎 2-2-1 微元法的理論基礎微元法的理論基礎 我們知道，能夠應用微元法求解的量應該具備下列條件：f 微元法在物理解題中的應用 2 （1）它是一個與變量的變化區(qū)間有關的量；, a b （2）它對于區(qū)間具有可加性，即如果把分成若干個小區(qū)間，則它能相應地分成若干, a b, a b 個對應的部分量，且該量就等于所有部分量之和； （3）部分量的近似值可以表示為，這樣就可以用定積分來表示這個量 i f( ) ii fxf 將滿足上述條件的量寫成可運算的積分表達式的步驟可歸納為：f （1）根據(jù)問題的具體情況，選取一個變量（例如）作為積分變量并確定它的變化區(qū)間；x, a b （2）將區(qū)間分成若干個小區(qū)間，取其中任一小區(qū)間并記作 ，求出相應與這個小, a b, x xdx 區(qū)間的部分量的近似值，如果能近似地表示為 x 的一個連續(xù)函數(shù)與的乘積（這里ff f xdx 與相差一個比高階的無窮小） ，就可以將它記作為，即；f f x dxdxdf( )dff x dx （3）以所求量的微元為被積表達式，在區(qū)間上作定積分得：f f x dx, a b ( ) b a ff x dx 結果即為所求的實際量，根據(jù)所求問題的不同，它可以是一個具體的數(shù)值，也可以是一個函數(shù) 作為微元法應用的實例，我們考察一個以速度定積分作變速運動的質點，欲求它在時間 vv t 間隔內產生的位移的大小, a b 在這里，速度是一個隨時間變化的量，因此求該質點在時間內產生的位移就不能冒失的應, a b 用這樣的簡單公式了，但只要我們注意到質點的速度是連續(xù)變化的，即它是時間的連續(xù)函數(shù)，xvt 在一段很短的時間內，它的變化很小，近似不變，這就為我們提供了以“不變代變”的條件，而且所 取的時間間隔越短，這種近似代替的精確度就越高 我們所求的位移具有可加性，即質點在時間間隔內的總位移等于每一個小區(qū)間的位移之和，, a b 這樣就使它具備了用微元法求解的條件具備了條件就可以著手解決問題了，首先“化整為零” ，把時 間區(qū)間用分點、，分為段，而且滿足，這樣, a b 0 t 1 t 2 t 1n t n tn 011nn attttb 各段區(qū)間長為，設質點在第 個時間間隔內所產生的位 010 ttt 121 ttt 11nnn ttt i 移為，在這一短暫時間間隔內，質點的速度變化很小，可近似視為不變，因此質點在這一短暫時 i x 間內的運動就可視為勻速運動而利用公式求其位移了，即;把各個時間間隔內的xvt( ) iii xv tt 位移相加，即得，當，即可得到此變速運動的質點在時間內的位移 1 0 ( ) n ii i xv tt 0 i t , a b 黃山學院畢業(yè)論文 3 ，當全部的同時趨于 0 時，的極限存在，則此極限值就是質點的位移，也就 1 0 0 lim( ) i n ii t i xv tt i tx 是函數(shù)在區(qū)間 上的定積分 yv t, a b( ) b a xv t dt 由此，我們可以歸納出如下的解題步驟： （1）由于質點的速度是隨時間變化的，因此選取 作為積分變量，其變化區(qū)間為；vt, a b （2）將分為若干個小區(qū)間，在任意小區(qū)間內，質點的位移，, a b 0 t 1 t 1n t i t( ) iii xv tt 因為速度的變化是連續(xù)的，因此可以表示為一個連續(xù)函數(shù)與的乘積，此時可將它記作， i x v tdtdx 即； dxv t dt （3）以所求量的微元為被積表達式，在區(qū)間上作，對于具體問題，x v t dt, a b( ) b a fv t dt 的積分后代入，下限即可得到運動質點在在區(qū)間上的位移 v t, a b, a b 上述步驟亦可規(guī)律化為： （1）根據(jù)實際問題性質確定積分變量及其變化區(qū)間； （2）將變量的變化區(qū)間劃分為若干個小區(qū)間，求出每一個小區(qū)間內待求量的表達式，這就是所謂 的“化整為零” ； （3）待求量在變量的變化區(qū)間內具有可加性，利用求和的方法將對應于每一個小區(qū)間的待求量的 部分量相加，這就是所謂的“集零為整” ，得到待求量的近似值； （4）當每一個小區(qū)間的原寬度趨與零時，即可得到待求量的極限，也就是待求量的準確值 2-2-2 本文所涉及的物理學知識：本文所涉及的物理學知識： 萬有引力定律 質量分別是和的兩個質點之間的引力為其中是 1 m 2 m 12 12 3 12 m m fg r 12 f 作用在上的引力，是由指向的矢徑是萬有引力系數(shù)；年國際科學聯(lián) 1 m 2 m 12 r 1 m 2 mg 盟理事會科技數(shù)據(jù)委員會推薦的數(shù)值為；codata 1132 6.67259 10gmkg s 重力加速度；gmg 2 9.8/gm s 牛頓第二運動定律；fma 合 水的靜壓力 為水的比重； fgvv 液 功率 由歐姆定律； pir 2 v pir r 功 ；wfs 2 v wptt r 微元法在物理解題中的應用 4 轉動慣量 對于空間形體，繞,軸及原點的轉動慣量定義為xyz ， 2222 ()() x iyzdmyzdv ， 2222 ()() y ixzdmxzdv ， 2222 ()() z ixydmxydv ； 222222 1 ()()() 2 oxyz ixyzdmxyzdviii 真空中的靜電荷場強公式 ， 其中 k 是靜電力常量； 2 q ek nr ， ，其中是電磁感應強度；eblvqcecblvb 電磁感應定律 ， 其中磁通量 d dt bs 第三章第三章 微元法在力學中的應用微元法在力學中的應用 下面舉例說明說明微元的具體應用 1 液體靜壓力液體靜壓力 例 1 如圖（1）所示為一管道的圓形閘門（半徑為 3 米）問水平面齊及直徑時，閘門所受到的水 的靜壓力為多大？ 解：該圓的方程為 ， 22 9xy 由于在相同深度處水的靜壓力相同，其值等于水的比重與( ) 深度的乘積，故當很小時，閘門上從深度到這一狹 xxxxx 小上所受的靜壓力為a 2 29pdpxx 從而閘門上所受的總壓力為 圖（1） 3 2 0 2918 px dx 2 轉動慣量轉動慣量 例 2 計算半徑為，質量為的均勻分布球體繞任一直徑及原點的轉動慣量rm 解 在高等數(shù)學中對物體轉動慣量的計算，是微分法在物理學中的重要應用之一對于空間形體， 繞,軸及原點的轉動慣量定義為xyz ， 2222 ()() x iyzdmyzdv ， (1) 2222 ()() y ixzdmxzdv 黃山學院畢業(yè)論文 5 ， 2222 ()() z ixydmxydv 222222 1 ()()() 2 oxyz ixyzdmxyzdviii 在（1）式中或為質量元或體積元，或積分元在不同的坐標系中有不同的表達式為球dmdvdv 體密度，一般為,的函數(shù)，在本題中因質量均勻分布，故為常量考慮到對稱性，xyz 3 4 3 m r （球心在原點）應有，只要求出其中一個如，則，及即可得到 xyz iii x i y i z i o i 對（1）式微分，有,它表示質量為的質量元繞 x 軸的轉動 2222 x diyzdmyzdvdm 慣量，()是 dm 到 x 軸的距離的平方，求出所有的 dm 對軸的轉動慣量，即得到整個球體的 22 yzx 轉動慣量 在本題中，如用直角坐標系，則有,則由（1）式有dmdxdydz 22222 22222 2222 ()() rrxrxy x rrxrxy iyzdxdydzdxdyyzdz 22 3 2 22 2222222 1 3 2() rrx rrx dxyrxyrxy 22 1 2 () r r rxdx 52 1162 2153 rmr 因，所以 2 2 5yzz iiimr 2 31 25 () oxyz iiiimr 如用柱坐標系，有，則dmrdrd dz 222 xyr 22 22 2 23 00 rrx z rx ir rdrd dzdr drdz 322 0 4 r rrr dr 3 2 222 222 2 5 0 0 () 44 5 r r rrr rr rr dr 22 3 2 22 05 () 4 3 r rr r 2 2 5mr 微元法在物理解題中的應用 6 如用球坐標系有 ,有 2 sindmrdrd d 2222 sinyxr 2 43234 2 5 000 sin r z irdrd dmrdsindr dr 2 2 5mr 在該問題中用球坐標系，計算較為簡便 然而，在物理學中，轉動慣量的計算，往往不是通過計算三重積分的方法來進行的如在本問題 中通常以圓板的轉動慣量（為圓板質量，為圓板半徑）為基礎，把球體看成是由許多 2 1 2 imrmr 薄圓板組成，并把任一薄圓板的轉動慣量記為 , (2) 2 1 2x didmr 其中為薄圓板質量求出所有的薄圓板的轉動慣量之和技即得到整個球體繞直徑的轉動慣dm 量每一個薄圓板都繞同一軸線轉動，且,將此式代入（2）式，注意到， 2 dmy dx 222 yxr 有 4222 112 225 () r x r iy dxrxdxmr 有時，常常選取薄球殼，計算也非常方便，把球看作是由許多薄球殼所組成，由于薄球殼上dm 的每一點到球心的距離都相同，則每一球殼繞其球心的轉動慣量為 ， （3） 2 o didmr 且,將此代入（3）式有 2 4dmr dr ， 4 3 5 0 4 r o ir drmr 因，故 2 33331 22225 () oxyzxyz iiiiiiimr 2 2 5xyz iiimr 第四章第四章 微元法在電磁學中的應用微元法在電磁學中的應用 3 功與平均功率功與平均功率 例 3 在純電阻電路圖(2)中,已知交流電壓為求 m vv sin t 在一個周期內消耗在電阻上的能量，并求0,t 2 t rw 與之相當?shù)闹绷麟妷?解：在直流電壓下，功率，那么在時間t內 圖（2） 0 vv 0 v p r r 黃山學院畢業(yè)論文 7 所做的功為現(xiàn)在為交流電壓，瞬時功率為 2 0 v t wpt r v 2 2 ( ) m v p tsin t r 這相當于：在任意一小段時間區(qū)間上，當很小是，可把近似看作恒為 ,0,t ttttv 的情形于是取功的微元,并由此求得 m v sin t dwp t dt 222 2 00 ( ) t mm vv wp t dtsin t dt rr 而平均功率則為 222 0 (/2)1 ( ) 22 t mmm vvv pp t dt trrr 例 4 如圖（4）所示，某人用力轉動半徑為的轉盤，力的大小不變；方向始終與用力的作fr 用點的轉盤的切線一致，則轉動轉盤一周的過程中該力做多少功？ 解： 在轉動轉盤一周的過程中，力的方向時刻發(fā)生變化，但每一f 瞬時力總是與該瞬時的速度方向一致，即在每一瞬時都與轉盤轉過的ff 極小位移同向，這樣無數(shù)的極小位移， ，都s 1 s 2 s 3 s n s 與那一瞬時的力同向，因而在轉動一周的過程中，力做功應等于ff 在各極小段位移所做功的代數(shù)和，即f 圖（3） 12n wfsfsfs 12 () n fsss 2fr 4 場強場強 例 5 如圖（4）所示，均勻帶電圓環(huán)所帶電荷量為，半徑為，圓心為，為垂直于圓環(huán)qrop 平面的對稱軸上的一點，試求點的場強oplp 解： 設想將圓環(huán)等分為個小段，當相當大的時候，nn 每一小段都可以看作點電荷，有真空中點電荷場強公式可求 得每一點電荷在處的場強為： p 圖(4) 2 22 qq ekk nrn rl 其中為靜電力常量由對稱性可知各微元帶電環(huán)在處的場強的垂直于軸向的 kpe 分量相互抵消，而 e 的軸向分量之和，即為帶電環(huán)在 p 處的場強為： y e x e 微元法在物理解題中的應用 8 yx ene 22 cos () q nk n rl 22 22 () ql nk n rl rl 322 ql k rl 例 6 如圖（5）所示，一無限長的形金屬導軌，豎直放置且置于足夠大的水平均勻磁場中，磁u 感應強度，導軌間距為，上方串一耐壓力足夠大的電容器，電容為，開始時不帶電另有一根blc 質量為的金屬棒，可無摩擦地沿導軌滑動而不脫落，設整個系統(tǒng)的電阻不計，金屬桿從靜止開mmn 始滑動，問棒下滑高度時的速度多大？h 解：設金屬桿運動到某一位置時速度為，此時棒的感應電動勢v ，eblv 對應電容器充電，電荷量為qcecblv 如果換個角度考慮短暫時間，金屬桿速度變化為,電容器又被tv 蟲微小電荷量，則有，充電電流為qqc ecbl v 圖（5） qcbl vv icblcbla ttt 其中 a 為此時棒的加速度，這時棒收到向上的安培力為 22 fbilcb l a 對棒，根據(jù)牛頓第二定律有即故mnmgfma 22 macb l a 22 mg a mcb l 從上式中知，加速度大小不變，這表明金屬棒在勻加速度下滑，當棒下滑高度時，h 速度為 22 2 2 mgh vah mcb l 第五章第五章 總結總結 綜上所述，在物理解題計