教材“可以证明”之证明二则

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  高中物理教材中常出现“可以证明”字样,对于一般的学生可以指出:等到数学知识达到一定水平后自己就可以证明了,但对于尖子生而言,却是远远不够的.事实上,这里用到的方法也就是微积分初步及矢量运算,对于尖子生而言,经老师引导,是完全能学好并应用于解决物理问题的.《普通高中物理课程标准》(实验)在“过程与方法”中提出,让学生经历科学探究过程,尝试应用科学探究的方法研究物理问题,通过物理概念和规律的学习过程,认识数学工具在物理学发展过程中的作用,其中微元法及矢量方法是重要的数学方法.尖子生培养中,引入微积分初步及矢量运算的教学,是符合时代要求的.
  1动能定理
  教材展示:动能定理推导过程
  设某物体的质量为m,在与运动方向相同的恒力F的作用下发生一段位移 ,速度由v1增到v2,如图1所示.这个过程中力F做的功W=Fl.
  这个关系表明,力在一个过程中对物体做的功,等于物体在这个过程中动能的变化.这个结论叫做动能定理.
  可以证明,这个以上结论也适用于曲线运动、变力做功情况.
  2万有引力定律
  人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修2 P40上关于万有引力定律有这样一段说明:“两个物体间的距离”到底是指物体哪两部分间的距离?如果物体的大小比它们之间的距离小得多,两个物体可以看作质点,这个距离当然就是两点间的距离.如果是地球、月球等球体,牛顿应用微积分的方法得知,这个距离应该是球心间的距离.牛顿是怎样用微积分的方法得知的,所有的教参上都没有提到.这里证明“对于质量分布均匀的球体,在计算万有引力时,可以把其看成质量都集中在球心的质点.”
  2.1质量分布均匀的圆环对在其轴线上的质点的万有引力
  设质点质量为m,环质量为M,半径为R,环中心到质点的距离为x.把环分成许多小段,任取一小段可视为质点,其质量为dm,它对质点的引力为dF再把其分解为沿轴和垂直于轴的两个分力dF1和dF2,由于质量分布均匀,由对称性可知环上所有dm对质点引力的dF2分力的矢量和为零,所以环对质点的引力为F=∫dF1,
  2.2质量分布均匀的圆盘对在其轴线上的一个质点的万有引力
  设质点质量为m,圆盘质量为M,半径为R,圆心到质点的距离为x,在圆盘内任取一半径为r宽为dr的环带研究,由命题1得此环带对质点m的引力为
  2.3质量分布均匀的球体对其外的一个质点的万有引力
  设球的质量为M,质点的质量为m,球心到质点的距离为L,球半径为R.为了计算球对质点的引力,可以在球中截取一半径为r、厚度为dx并且其轴线与球心和质点的连线重合的圆片,设此圆片的中心到质点m的距离为x,由命题2可得该圆片对质点的引力为
  即,对于质量分布均匀的球体,在计算万有引力时,可以把其看成质量都集中在球心的质点.
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