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特殊問題一般化處理

 新用戶65120Joi 2022-08-05 發(fā)布于山西

曲線運動中的圓周運動部分,又對“輔倒”資料中的“供需矛盾”導致的向、勻、離運動感覺有點冷,好像牛頓運動定律在此失效了。不由得又搗鼓起了“曲率半徑”,再看高數(shù),數(shù)學人的思維真是高明。看曲率半徑,不由得想到了“最速曲線”,微積分對于數(shù)學,感覺完全可以比肩開辟新大陸。

先說說自己理解的“曲率半徑”。

圓周運動、直線運動,哪種更基本?估計都會認為直線運動更基本。學過物理后,可能才會形成反轉(zhuǎn)認識,圓周運動更基本。直線運動可以看作圓周運動的切向運動,而圓周運動,實際上無法看作直線運動的,采用無限分割的方法,軌跡上看,沒啥問題,一旦考慮受力,垂直軌跡上某點切線方向的向心力就把直線運動推向絕境了。

而除圓周運動之外的曲線運動,可以通過分解為N多個半徑不同的圓周運動的組合運動。類似一般振動總可以認為是一系列簡諧運動的組合一樣。

關(guān)于兩種運動,哪種更基本的問題,要細想,是很要命的一個思維問題,直覺和理性有時是不吻合的。

這樣一來,所有運動都可以看作一系列圓周運動的組合運動。這一系列圓周運動的圓周半徑如何確定呢?今天的主角就要登場了。

在一個圓中,圓弧長度、圓心角、半徑之間的關(guān)系是怎樣得出來的,這又會牽扯到一大堆問題,只要去思考,總有一些問題能讓你著迷。

曲率半徑說的再通俗一點,從物理角度來說,就是軌跡上(可曲可直)“某點”作為圓周運動處理時對應(yīng)的圓周半徑。

既然是圓周半徑,就根據(jù)R=L/θ來求解R。

面對的是一般曲線,如何找L、θ?微積分的妙用就在此處。

把一小段“曲線”(幾乎快成了一個點了)放大到可看為一段圓弧,找所對圓心角,求比值。

紅色曲線上兩套不同顏色的直線的交點是所研究的圓弧的兩端點,對應(yīng)的夾角dθ即是所對應(yīng)的圓心角。兩點逐漸靠近,靠到無限近,兩種顏色的線就幾乎重合了,此處的曲率半徑ρ(區(qū)分于通常圓的半徑R)就等于dL/dθ,dL是很短的弧長,所以又可等于弦長,弦長又等于

數(shù)學有點頭大,要解決復(fù)雜問題,工具肯定就麻煩點。

對于直線,曲率半徑多大呢?對于直線y的二階導就變?yōu)榱懔恕?/span>ρ就無窮大了,直線不就是可以看作半徑無窮大的圓嗎?半徑既然無窮大了,向心加速度只能為零,所以直線運動就相當于圓周運動的切線方向的運動。

最速曲線,今天先引個頭,把學過的運動復(fù)雜化處理一下。深堂上講了個等時圓,好思考的同學就問沿圓孤自由下滑的時間怎算?

引入數(shù)學工具處理吧,數(shù)學就是找處理一般問題的方法的。

從能懂的特殊問題一般處理一下。

自由落體運動,

從坐標原點落到紅點處的速度大小為,在極小的dy段內(nèi)最勻速直線運動,時間

,若下落H,所用時間為多少呢?

沿軌跡為y=2x的光滑曲線下滑,試試這種笨辦法的結(jié)果:

再推廣一下,假如沿拋物線自由下滑,這種方法也可以計算運動時間。

給定一個連續(xù)函數(shù),這種計算時間的辦法是普適的。

最速曲線,構(gòu)造一個函數(shù),使得在這兩點間從靜止自由滑下時用時最短。問題比曲率半徑復(fù)雜了,明天再續(xù)。

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