浅析导数在高中物理学习中的应用

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  近年来高考题的一个显著特点,就是对应用数学知识处理实际问题的能力一直保持较高的要求。本文例析导数知识求解物理的瞬时变化率和极值问题,旨在拓宽学生的解题思路,展示物理和数学的密切关系。
  一、利用导数求瞬时变化率
  回顾教材:一般的,函数y=f(x)在x=x0处的瞬时变化率为函数y=f(x)在x=x0处的导数。由此,物体的位移关于时间的导数就是物体的瞬时速度,磁通量关于时间的导数即为感应电动势等等。实际上导数可以描述任何事物的瞬时变化率。
  例1.一物体沿y轴运动,t时刻的坐标为y=5t-t3(y以米为单位,t以秒为单位)。求:(1)1秒末的速度;(2)1秒末的加速度。
  解析:(1)位移关于时间的导数就是物体的瞬时速度v=y′=5-3t2,解之得:v=2m/s。
  (2)速度關于时间的导数就是物体的瞬时加速度a=v′=5-6t,解之得a=-1m/s2。
  此题学生运用运动规律无法作答,但如果具备一定的微积分基础,则此类题的求解将会变得非常轻松,这充分体现了数学学科的工具性和实用性。
  例2.(江苏高考)如图所示,两根平行金属导轨固定在水平桌面上,每根导轨每米的电阻为r0=0.10 Ω/m,导轨的端点P,Q用电阻可忽略的导线相连,两导轨间的距离l=0.20 m。有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面,已知磁感强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.020 T/s,一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦的滑动,在滑动过程中保持与导轨垂直,在t=0时,金属杆紧靠在P,Q端,在外力作用下,金属杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动,求在t=6.0 s时金属杆所受的安培力。
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