Ⅰ 微积分在物理学中的应用
极多,随便打开一篇名字里带某某理论某某设计的论文,没有用到积分算我输。
具体来说,物理学经常要进行的测量实验就用到微积分,比如我要获取某工件A的速度加速度曲线,用来研究它的工作状态从而进行前馈补偿什么的。我们没法直接测速度,我们能测的是用激光干涉仪得到的他的位置参数,得到的是个距离-时间曲线。我们最终要得到的是速度-时间曲线,速度-时间曲线就是通过距离-时间曲线做一次求导得到的。
Ⅱ 微积分在高中物理中的运用
伟大的科学家牛顿,有很多伟大的成就,建立了经典物理理论,比如:牛顿三大定律,万有引力定律等;另外,在数学上也有伟大的成就,创立了微积分。
微积分(Calculus)是研究函数的微分、积分以及有关概念和应用的数学分支。微积分是建立在实数、函数和极限的基础上的。微积分最重要的思想就是用"微元"与"无限逼近",好像一个事物始终在变化你很难研究,但通过微元分割成一小块一小块,那就可以认为是常量处理,最终加起来就行。
微积分学是微分学和积分学的总称。 它是一种数学思想,‘无限细分’就是微分,‘无限求和’就是积分。无限就是极限,极限的思想是微积分的基础,它是用一种运动的思想看待问题。微积分堪称是人类智慧最伟大的成就之一。在高中物理中,微积分思想多次发挥了作用。
1、解决变速直线运动位移问题
匀速直线运动,位移和速度之间的关系x=vt;但变速直线运动,那么物体的位移如何求解呢?
例1、汽车以10m/s的速度行驶,到某处需要减速停车,设汽车以等减速2m/s2刹车,问从开始刹车到停车,汽车走了多少公里?
【解析】 现在我们知道,根据匀减速直线运动速度位移公式 就可以求得汽车走了0.025公里。
但是,高中所谓的的匀变速直线运动的位移公式是怎么来的,其实就是应用了微积分思想:把物体运动的时间无限细分。在每一份时间微元内,速度的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在做匀速直线运动,因此根据已有知识位移可求;接下来把所有时间内的位移相加,即“无限求和”,则总的位移就可以知道。现在我们明白,物体在变速直线运动时候的位移等于速度时间图像与时间轴所围图形的“面积”,即 。
【微积分解】汽车在减速运动这段时间内速度随时间变化的关系 ,从开始刹车到停车的时间t=5s, 所以汽车由刹车到停车行驶的位移
小结:此题是一个简单的匀变速直线运动求位移问题。对一般的变速直线运动,只要结合物理知识求速度关于时间的函数,画出v-t图像,找“面积”就可以。或者,利用定积分就可解决.
2、解决变力做功问题
恒力做功,我们可以利用公式直接求出 ;但对于变力做功,我们如何求解呢?
例2:如图所示,质量为m的物体以恒定速率v沿半径为R的竖直圆轨道运动,已知物体与竖直圆轨道间的摩擦因数为 ,求物体从轨道最低点运动到最高点的过程中,摩擦力做了多少功。
【解析】物体沿竖直圆轨道从最低点匀速率运动到最高点的过程中,在不同位置与圆环间的正压力不同,故而摩擦力为一変力,本题不能简单的用 来求。
可由圆轨道的对称性,在圆轨道水平直径上、下各取两对称位置A和B,设OA、OB与水平直径的夹角为θ。在 的足够短圆弧上,△S可看作直线,且摩擦力可视为恒力,则在A、B两点附近的△S内,摩擦力所做的功之和可表示为:
又因为车在A、B两点以速率v作圆周运动,所以:
综合以上各式得:
故摩擦力对车所做的功:
【微积分解】物体在轨道上受到的摩擦力 ,从最低点运动到最高点摩擦力所做的功为
小结:这题是一个复杂的变力做功问题,利用公式直接求功是难以办到的。利用微积分思想,把物体的运动无限细分,在每一份位移微元内,力的变化量很小,可以忽略这种微小变化,认为物体在恒力作用下的运动;接下来把所有位移内的功相加,即“无限求和”,则总的功就可以知道。
在高中物理中还有很多例子,比如我们讲过的瞬时速度,瞬时加速度、感应电动势、引力势能等都用到了微积分思想,所有这些例子都有它的共性。作为大学知识在高中的应用,虽然微积分高中不要求,但他的思想无不贯穿整个高中物理。“微积分思想”丰富了我们处理问题的手段,拓展了我们的思维。我们在学习的时候,要学会这种研究问题的思想方法,只有这样,在紧张的学习中,我们才能做到事半功倍。
Ⅲ 物理竞赛 怎么应用微积分
运动,力学分析,基本就是经典物理的那部分。微积分就是那种你有思路甚至能列出方程但是解不出来的,比如高次求导方程。方法其一是把思路都转化成过程,也就是说一道题你不仅要能觉得自己有切入点还得能一步一步算下去,如果是式子列不出来,那就得多看题,如果是式子解不出来,那就老老实实看微积分吧。微积分不仅是种思想,更是种方法,物理中的微积分主要指积分,非得看高等数学不可。同样物理也推荐你看看大学物理,站得高看得远么。如果只是为了几天后的物理竞赛,那就只有一点建议,抓好基础,然后看点相对论的题,不要只看概念的,要量化计算的
Ⅳ 微分在物理中应用
微分是涉及变化率问题的表述工具,并不是简单加个d就OK了。
例如求瞬时速度,实际上是平均速度取极限得到的:
Δt时段内的平均速度v=Δs/Δt
只有在Δt很短,趋近于0的时候的平均速度才能表示出瞬时速度。即:
v=limΔs/Δt,Δt→0(lim表示取极限)
Ⅳ 微积分在物理中的应用
原则上讲,数理不分家,从物理到数学其实就是一个建模抽象的过程,同时也是一个化归的过程,也就是说,物理中的任何一个领域都必然地涉及数学,不存在与数学毫无关联的物理分支。
所以,只要物理中的问题能够抽象划归成微分与积分,就是微积分在物理中的应用。我们所要讨论的只是在物理中微积分用的比较频繁的几个领域。
1.变力做功(涉及力学、电学、热学、原子物理等)
2.刚体转动惯量的计算
3.保守力势能的推导
3.某些特殊物体质心的确定
4.非均匀物体质量体积等的计算
5.电容特殊的充放电
6.电磁感应和动力学的结合等
仅为常用领域
学会用微积分的角度分析问题
才是根本的解决之道
Ⅵ 关于微积分在物理的运用
此题属于高中物理,但是,题目的问题却超纲了,此题应该给出运动时间,不应该求达到匀速的时间,更不能求位移,因为时间是无穷大,位移也无穷大。
一般高中用微积分的方法求解,浅浅的双色石已经帮你提供一个很好的思路,他用了平均电流的方法解决了,不过用“平均”的方法求,一定是一次函数才可以(F=BIL,F和I是一次函数,所以可以,至于为什么你不用管,要证明这个,也要用微积分证明,电荷Q=It也可以用平均电流,冲量I=Ft,也可以用平均力,因为都是一次函数,但是有效值是不能用“平均”求解的,因为有效值Q=I²Rt,Q和I不是一次函数),此外,你这道题还要求求时间,我怀疑你弄错了,时间是求不出来的(因为这个运动不可能匀速运动,除非时间无限大,由于此题不可能达到匀速运动,所以如果求匀速运动)。
不知道你为什么会提到用微积分,要用微积分,解微分方程是很麻烦的,你这个题的微分方程,虽然解出来不难,不过高中尽量不要考虑用微积分,下面我列微分方程解。同时,我也证明开始我说的结论,我说达到匀速的时间是无穷大,达到匀速的位移也是无穷大,如果你看不懂就算了,不过我还是把解法写下来。
设在t时刻,导体的速度是v,那么有安培力F(安)=B²L²v/r,根据牛顿第二定律,可得
F-μmg-B²L²v/(R+r)=m·dv/dt,这是一阶线性微分方程,有通解公式,下面我用分离变量方法求解,为了方便计算,设p=(F-μmg)/m,q=-B²L²/m(R+r),那么微分方程可化为
dv/dt=p+qv,分离变量,得dv/(p+qv)=t/q,积分,ln(p+qv)=t/q+C(C为任意常数,因为dv/dt>0,所以p+qv>0,所以绝对值直接去掉),初始条件,t=0时,有v=0,代入ln(p+qv)=t/q+C,可求得C=lnp,所以有t/q=ln(p+qv)-lnp=ln(1+qv/p),两边分别以e为底数取指数,得
1+qv/p=e^(t/q),所以v=-(p/q)·[1-e^(t/q)],
把p和q代回来,得v=[(F-μmg)(R+r)/B²L²]·{1-e^[-m(R+r)t/B²L²]},这个就是v和t的函数关系式,
从关系式可知,当t→∞时,v=(F-μmg)(R+r)/B²L²,也就是说,时间无穷大,才能达到匀速的速度,所以此题不应该问时间怎么求。可以求出匀速速度是v=(F-μmg)(R+r)/B²L²
再次对t积分,就可以求出位移s和t的关系,这个积分没有前面解微分方程难,不过计算也挺繁琐,这里我就不计算了,你如果有兴趣,以后学了微分方程可以自己算(或者你现在就明白微分方程也可以解)。求出表达式后,当t无穷大时,位移也是无穷大(具体我没算,不过我用p和q把位移表达式求出来了,根据表达式,得到位移无穷大)。
Ⅶ 大学物理怎样运用微积分
额方方面面都用啊 比如量子力学的傅里叶变换
还有电磁学的涡旋场电动势
Ⅷ 怎么理解微分积分在物理学中的应用
微积分(Calculus)是高等数学中研究函数的微分(Differentiation)、积分(Integration)以及有关概念和应用的数学分支。它是数学的一个基础学科。内容主要包括极限、微分学、积分学及其应用。微分学包括求导数的运算,是一套关于变化率的理论。它使得函数、速度、加速度和曲线的斜率等均可用一套通用的符号进行讨论。积分学,包括求积分的运算,为定义和计算面积、体积等提供一套通用的方法。
Ⅸ 微积分怎么应用在物理上
电场中的磁通量和自感系数。洛伦兹力方程。衍伸到大学的高斯定律。
运动学,也有。3-4的熵的公式推导。3-5的原子分立能级。计算原子能态的hv的那个公式。