数学在物理应用中应注意的问题

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  在物理教学中,有些物理规律需要用数学语言、数学公式来表达。但数学知识和物理知识都有各自的特点,若在解决物理问题时用“纯数学”处理,就会违背物理规律。因此,在物理教学中应注意培养学生运用数学知识解决物理问题的能力,在运用时应注意以下几点:
  
  一、不能单纯地用数学规律理解物理概念
  
  例如:物质密度的计算公式是ρ=m/V,对这个公式有的同学这样理解:“物质的密度跟物质的质量成正比,跟体积成反比。”这种叙述从数学角度看是对的,但其物理意义是错误的。因为密度是物质的一种特性,对某一种物质来讲,当质量增大时,体积同时增大,而物质的质量与体积的比值不变。所以正确的表述为“物质的密度在数值上等于物质的质量与体积的比值”。同样,做匀速直线运动的物体的速度v=s/t、导体的电阻R=U/I、物质的比热容c=Q/(m·Δt),如果用“纯数学”的思维方法去理解,就会出现错误。
  
  二、不能单纯利用数学公式推导物理计算式
  
  例如,利用焦耳定律计算电流通过导体产生的热量时,用欧姆定律I=U/R,把Q=I2Rt推导为Q=UIt,这种数学推导过程是正确的,但从物理意义上讲,如果电路是纯电阻电路,电流做的功全部转化为内能,可用推导公式来计算。如果电路是非纯电阻电路,电流所做的功一部分转化为内能,一部分转化为其他形式的能,故不能用公式Q=UIt来计算。同样,物体的温度由t1升高到t2,吸收的热量Q吸=cm(t2-t1), 用数学方法化简为Q吸=cmt2-cmt1,虽然两式的计算结果相等,但后者却违背了热量的意义。所以,Q吸=cm(t2-t1)不能用数学方法化简为cmt2-cmt1。
  
  三、在数学上有意义的不一定符合物理规律
  
  例1:在标准大气压下,2kg、25℃的水吸收了6.72×105J的热量,温度升高了多少摄氏度?
  解:根据Q吸=cmΔt得,
  
  从数学角度分析上述计算毫无疑议,但从物理角度分析,在标准大气压下水的沸点是100℃,当水的温度升高到100℃时,即使吸收热量水的温度也不再升高。因此水的温度升高了100℃-25℃=75℃。
  
  四、数学中的“四舍五入”在物理中不一定适用,数学的计算结果通常使用“四舍五入”法,而物理中的计算
  结果有时还用“进一法”或“去尾法”
  
  首先,有的计算题结果只能取整数,小数部分只能舍,不能入,不管小数点后的数是几,哪怕是9,也只能舍。
  例2:某家庭电路用的保险丝允许通过的最大电流为2A,问此家庭最多能接入几盏“220V,60W”的电灯在电路中同时使用?
  分析与解:因为家庭电路的电灯是并联的,且家庭电路的电压为220V,最多接入的电灯盏数为:
  
  灯泡的个数只能取整数,如果按“四舍五入”法,n取17盏,电路中的电流将超过保险丝允许通过的最大电流。因此,小数点后的数不管是几都要舍去,所以最多能同时接入的电灯数为16盏,而不是17盏。
  其次,有的计算结果只能取整数,且小数部分只能入,不能舍。
  例3:煤油可以用油罐车来运输。如果每节油罐车的容量是50m3,运输1210t煤油需要多少节油罐车?
  解:煤油的质量
  m=1210t=1.21×106kg
  煤油的体积
  
  需要的油罐车节数
  
  显然,这里的节数n应取整数,如果按“四舍五入”法,n=30节,但是,这样1210吨油就不能全部运走,因而30.25中的“2”不能舍。因此小数点后的数不管是几,只能入,不能舍。正确答案为31节。
  综上所述,在运用数学知识解决物理问题时绝不能用“纯数学”的思维方法去理解,而一定要遵循物理事实和规律。
  (本文作者单位:甘肃省兰州市榆中县第六中学)
  
  注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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