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Excel不仅是制表软件,而且是一种功能强大的数据统计和分析工具,能进行复杂的公式运算。对于物理中的极值问题,我们既可以通过Excel所绘制的函数图像直接读出,也可以利用“规划求解”功能快速、准确地加以解决。我们以一个常见的抛体问题为例,说明如何使用Excel通过两种不同的方法解决物理极值问题。
我们知道,在忽略空气阻力的情况下,从水平面斜向上抛出的物体,其水平射程在抛射角 =45°时最远。更为常见的情形是从距地面一定高度 的地方斜向上抛出,此时最佳抛射角与抛射速度 和抛射高度 这两个初始条件的大小有关。在这种情况下,抛射角 取多少时水平射程最大呢?我们列出水平和竖直两个方向上的运动方程:
如果我们将水平射程理解为两部分水平位移之和,即由和组成(图1)。第一部分 表示=0时的水平射程。第二部分表示从高度为的地方斜向下抛向地面所产生的水平位移。当抛射角=45°时,取得最大值,但此时进行斜下抛时具有较大的竖直速度,无法取得最大值;如果为了增大而取一个小于45°的,又无法取得最大值,因此应介于0°和45°之间。对于给定的和,我们可以利用(3)式求出最佳的抛射角和的最大值。
以=15.0m/s,=25.0m为例,我们将利用Excel的绘图功能和“规划求解”功能,使用两种不同的方法求解上述条件下的最佳抛射角和水平射程 的最大值。
一、图像求解法
1.在A1单元格中输入“ ”, A2、A3单元格分别输入“0”、“1”,用鼠标选中A2和A3单元格,将鼠标移到A3的右下角,当鼠标的符号变为“+”时,按住鼠标向下拖,Excel会自动地以公差为1的等差数列来填充,直到A47,此时A47单元格中的数值为45。
2.在B1单元格中输入“ ”,在B2单元格中依据上文(3)式输入公式“=15*15/(2*9.8)*(sin(2*A2/180*3.14)+SQRT(sin(2*A2/180*3.14)^2+8*9.8*25/(15*15)*cos(A2/180*3.14)^2))”,回车确定。选中B2单元格,将鼠标移到B2的右下角,当鼠标的符号变为“+”时,按住鼠标一直向下拖到B47单元格内,Excel自动计算出了每一个 对应的 值。
3.选取A、B两列数据,依次点击菜单[插入]—[图表],即出现[图表向导]窗口,在[图表类型]中选择[X、Y散点图],在[子图表类型]中选择[无数据点平滑线散点图],点击[下一步],在相应位置输入图表名称、坐标轴名称,点击[完成]。接下来,我们可以对图表的绘图区、坐标轴和网格线等部分进行相应的修改,直至如图2所示。
观察图2,我们可以发现 在28ο~30ο之间有最大值,可以用Excel的查找功能在数据区域找到精确值。或者在图像中直接用鼠标指向曲线的最顶端,此时在鼠标的右下方会显示相应的精确值。结果表明当=29°时,有最大值40.927m。
二、“规划求解”法
用上面的图像法求得的=29°和Xmax其实是一个近似解,利用Excel提供的“规划求解”功能则可以求出抛射角的精确解。Excel的“规划求解”允许我们根据目标函数及其约束条件自动调整多个变动因素,以期找到问题的最优解,从而方便地解决许多物理极值问题。下面仍以=15.0m/s,=25.0m为例,方法如下:
在A1单元格中输入变量“ ”,在B1单元格中输入上文(3)式的表达式:“=15*15/(2*9.8)*(sin(2*A1/180*3.14)+SQRT(sin(2*1/180*3.14)^2+8*9.8*25/(15*15)*cos(1/180*3.14)^2))”,回车确定。
“规划求解”功能在默认情况下是没有安装的,我们首先必须进行安装。选择[工具]菜单中[加载宏]选项,在安装提示下装入[规划求解](注意要插入安装盘)。也可以将安装盘中[Pfiles]—[Office]—[Library]下的[Solver]文件夹及其目录下的Solver.xla、Solvr32.dll复制到Office安装目录[Office]—[Library]下,然后加载即可。
在[工具]菜单中选择[规划求解],在弹出的[规划求解参数]对话框中通过点击B1单元格,使[目标单元格]出现$B$1的绝对引址。鉴于我们要求解的是最大值,于是在[等于]中选择[最大值]。在[可变单元格]中通过点击A1单元格,使之在框内出现$A$1的绝对引址。在[约束]处按[添加],在随后出现的[添加约束]对话框中的[单元格引用位置]处点击A1单元格使之出现$A$1,在后面的框内选“<=”,“约束值”填入45,最后得到“$A$1<=45”。与之类似,添加约束条件“$A$1>=0”(图3)。
最后,点击[求解]按钮,选[保存规划求解结果],按[确定]。我们在A1和B1单元格得到了29.306和40.928两个精确解,即当=29.306°时, 有最大值40.928m。
我们知道,在忽略空气阻力的情况下,从水平面斜向上抛出的物体,其水平射程在抛射角 =45°时最远。更为常见的情形是从距地面一定高度 的地方斜向上抛出,此时最佳抛射角与抛射速度 和抛射高度 这两个初始条件的大小有关。在这种情况下,抛射角 取多少时水平射程最大呢?我们列出水平和竖直两个方向上的运动方程:
如果我们将水平射程理解为两部分水平位移之和,即由和组成(图1)。第一部分 表示=0时的水平射程。第二部分表示从高度为的地方斜向下抛向地面所产生的水平位移。当抛射角=45°时,取得最大值,但此时进行斜下抛时具有较大的竖直速度,无法取得最大值;如果为了增大而取一个小于45°的,又无法取得最大值,因此应介于0°和45°之间。对于给定的和,我们可以利用(3)式求出最佳的抛射角和的最大值。
以=15.0m/s,=25.0m为例,我们将利用Excel的绘图功能和“规划求解”功能,使用两种不同的方法求解上述条件下的最佳抛射角和水平射程 的最大值。
一、图像求解法
1.在A1单元格中输入“ ”, A2、A3单元格分别输入“0”、“1”,用鼠标选中A2和A3单元格,将鼠标移到A3的右下角,当鼠标的符号变为“+”时,按住鼠标向下拖,Excel会自动地以公差为1的等差数列来填充,直到A47,此时A47单元格中的数值为45。
2.在B1单元格中输入“ ”,在B2单元格中依据上文(3)式输入公式“=15*15/(2*9.8)*(sin(2*A2/180*3.14)+SQRT(sin(2*A2/180*3.14)^2+8*9.8*25/(15*15)*cos(A2/180*3.14)^2))”,回车确定。选中B2单元格,将鼠标移到B2的右下角,当鼠标的符号变为“+”时,按住鼠标一直向下拖到B47单元格内,Excel自动计算出了每一个 对应的 值。
3.选取A、B两列数据,依次点击菜单[插入]—[图表],即出现[图表向导]窗口,在[图表类型]中选择[X、Y散点图],在[子图表类型]中选择[无数据点平滑线散点图],点击[下一步],在相应位置输入图表名称、坐标轴名称,点击[完成]。接下来,我们可以对图表的绘图区、坐标轴和网格线等部分进行相应的修改,直至如图2所示。
观察图2,我们可以发现 在28ο~30ο之间有最大值,可以用Excel的查找功能在数据区域找到精确值。或者在图像中直接用鼠标指向曲线的最顶端,此时在鼠标的右下方会显示相应的精确值。结果表明当=29°时,有最大值40.927m。
二、“规划求解”法
用上面的图像法求得的=29°和Xmax其实是一个近似解,利用Excel提供的“规划求解”功能则可以求出抛射角的精确解。Excel的“规划求解”允许我们根据目标函数及其约束条件自动调整多个变动因素,以期找到问题的最优解,从而方便地解决许多物理极值问题。下面仍以=15.0m/s,=25.0m为例,方法如下:
在A1单元格中输入变量“ ”,在B1单元格中输入上文(3)式的表达式:“=15*15/(2*9.8)*(sin(2*A1/180*3.14)+SQRT(sin(2*1/180*3.14)^2+8*9.8*25/(15*15)*cos(1/180*3.14)^2))”,回车确定。
“规划求解”功能在默认情况下是没有安装的,我们首先必须进行安装。选择[工具]菜单中[加载宏]选项,在安装提示下装入[规划求解](注意要插入安装盘)。也可以将安装盘中[Pfiles]—[Office]—[Library]下的[Solver]文件夹及其目录下的Solver.xla、Solvr32.dll复制到Office安装目录[Office]—[Library]下,然后加载即可。
在[工具]菜单中选择[规划求解],在弹出的[规划求解参数]对话框中通过点击B1单元格,使[目标单元格]出现$B$1的绝对引址。鉴于我们要求解的是最大值,于是在[等于]中选择[最大值]。在[可变单元格]中通过点击A1单元格,使之在框内出现$A$1的绝对引址。在[约束]处按[添加],在随后出现的[添加约束]对话框中的[单元格引用位置]处点击A1单元格使之出现$A$1,在后面的框内选“<=”,“约束值”填入45,最后得到“$A$1<=45”。与之类似,添加约束条件“$A$1>=0”(图3)。
最后,点击[求解]按钮,选[保存规划求解结果],按[确定]。我们在A1和B1单元格得到了29.306和40.928两个精确解,即当=29.306°时, 有最大值40.928m。