一道物理竞赛题的四种数学解法

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  题目(2013年辽宁东港二中高一物理竞赛)如图1所示,一个小物体沿光滑斜面由A点上方的某处由静止开始匀加速下滑,在它通过的路径中取AE并分成相等的四段,vB表示通过B点时的瞬时速度,v表示AE段的平均速度,则vB与v的关系式
  A.vBv
  D.以上三种关系都有可能
  解法1位移时间图象求解
  由于物体的整个运动是匀加速直线运动,即满足x=12at2,如图2,位移时间图象是顶点在原点的抛物线,根据位移时间图象斜率的意义可知,过B点作切线表示运动质点在B点时的瞬时速度,连接AE,直线AE的斜率表示运动质点在AE段的平均速度,比较可知,AE线的斜率大于B点切线的斜率,即有vB  解法2速度时间图象求解
  物体的整个运动是匀加速直线运动,速度时间图象如图3所示,图中t为tA~tE时间中点,由匀变速直线运动规律可得:v=vA vE2=AE,即v为tA~tE时间内的平均速度.因为xAB∶xBE=1∶3,由图象面积可知,tB  解法3类比思维求解
  由题意设AB=BC=CD=DE=x,则AE=4x,物体在A点速度为vA,物体由A运动到B的时间为tAB,由A运动到E的时间为tAE,根据运动学公式x=v0t 12at2得,
  x=vAtAB 12at2AB,
  4x=vAtAE 12at2AE,
  整理得2x=vAtAB at2AB vAtAB,
  2x=vA(tAE2) a(tAE2)2,
  对比以上二式可得tAB  由v=v0 at可得vB=vA atAB,
  v=vtAE2=vA a(tAE2),
  所以,vB  解法4归纳思维求解
  设物块从静止位置到A点位移为x0,
  AB=BC=CD=DE=x,
  由运动学公式
  v2-v20=2ax,
  得v2A=2ax0,
  v2B=2a(x0 x),
  v2E=2a(x0 4x),
  v=AE=vA vE2=2ax0 2a(x0 4x)2,
  则vB=2a(x0 x),
  vvB=2ax0 2a(x0 4x)22a(x0 x)=x0 x0 4x2x0 x,
  所以v2v2B=2x0 4x 2x20 4x0x2x0 4x 2x0>1,
  即vvB>1,vB  故选项A是正确的.
  讨论:当x0=0时,vvB=1,即vB=v,根据运动学公式v2=2ax,物体到达各点的速率之比
  vB∶vC∶vD∶vE=1∶2∶3∶2,
  由于vE=2vB物体从A到E的平均速度v=0 vE2=vB,符合初速度为零的匀加速直线运动特殊规律.
  下面做差比较:由以上结论可知,
  v=AE=vA vE2,
  vB=2a(x0 x),
  v2-v2B=v2A v2E 2vAvE-4v2B4,
  代入v2B=2a(x0 x),v2E=2a(x0 4x),
  得v2-v2B=4ax20 4x0x-4ax0>0,
  即vB  同理:当x0=0时,vB=v,符合初速度为零的匀加速直线运动特殊规律.
  综上所述,上面所介绍的几种试题解法,都用到了数学上的一些方法,所以在计算或推证物理问题的过程中,不仅要熟练掌握有关的物理概念和公式,还要有灵活的数学运算技巧.在物理教学中,用一些数学思想、方法及技巧处理物理问题的考题,来训练学生的思维能力,增强学生科学素养,这也是新一轮国家基础教育课程改革的一个重要任务.
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