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問(wèn)題討論 | 三元均值不等式在物理極值問(wèn)題中的兩個(gè)應(yīng)用

 清風(fēng)明月詩(shī) 2024-09-04 發(fā)布于河北

問(wèn)題1. 蕩秋千模型中重力的最大功率。

如圖是小球蕩秋千的模型,空氣阻力可以忽略不計(jì),小球受到重力和繩子的彈力(拉力),討論小球從懸掛點(diǎn)同一高度由靜止釋放時(shí),下落過(guò)程中重力的最大功率。

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解析:就是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的模型,除了當(dāng)擺角很小的單擺外,小球運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的變化關(guān)系要復(fù)雜的多,往往要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算。這里的策略是避開(kāi)時(shí)間,直接討論小球隨角度θ的變化關(guān)系

小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)用動(dòng)能定理:

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解得
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注意重力與速度之間有一個(gè)夾角θ,將速度分解到平行重力的方向(vy)和垂直重力的方向(vx),只有平行重力的分速度是有效的,重力做功的功率
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聯(lián)立①②得
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剛開(kāi)始圖片,到最低點(diǎn)圖片,依然有圖片;隨著θ的增大,正弦增大余弦減小,功率不會(huì)一直增大而是先增大后減小。先通過(guò)功率-角度圖像直觀認(rèn)識(shí)一下,在35.3°位置功率達(dá)到最大值,注意小于45°。
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定量探究
(1)通過(guò)均值不等式尋找最大功率位置。

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時(shí),即
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功率取最大值。
(2)將重力的最大功率轉(zhuǎn)化為最大豎直分速度
重力是恒力,最大功率和最大豎直分速度的條件等價(jià)。豎直分速度最大時(shí),豎直方向的合力為零
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在半徑方向應(yīng)用牛頓第二定律
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聯(lián)立①⑤得
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代入④式
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和③式結(jié)果等價(jià)。

問(wèn)題2.(多選)(2024·海南)真空中有兩個(gè)點(diǎn)電荷,電荷量均為-qq≥0),固定于相距為2rP1、P2兩點(diǎn),OP1P2連線的中點(diǎn),M點(diǎn)在P1P2連線的中垂線上,距離O點(diǎn)為r,N點(diǎn)在P1P2連線上,距離O點(diǎn)為xx << r),已知靜電力常量為k,則下列說(shuō)法正確的是(    )
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解析:如圖,中垂線上任一點(diǎn)(到O點(diǎn)的距離為y)的場(chǎng)強(qiáng)

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其中
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聯(lián)立①②③得
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和問(wèn)題1重力功率的表達(dá)式類(lèi)似,平方后構(gòu)造三項(xiàng)的乘積
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滿足三項(xiàng)和是一個(gè)定值(2),合電場(chǎng)取最大值時(shí)
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此時(shí)
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到O點(diǎn)的距離為兩電荷距離(2r)的圖片(約為1/3),電場(chǎng)取最大值
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因此,A選項(xiàng)錯(cuò)誤、B選項(xiàng)正確。M點(diǎn)距O的距離超過(guò)了臨界值,電子受到的電場(chǎng)力向上,從靜止向上運(yùn)動(dòng),電子的加速度一直減小,C選項(xiàng)正確。
下面看D選項(xiàng),在連線上N點(diǎn)的合場(chǎng)強(qiáng)
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當(dāng)x << r時(shí),利用近似公式
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⑦式化簡(jiǎn)為
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電子受到的電場(chǎng)力大?。?/span>qEN)與位移成正比,方向與位移相反,滿足回復(fù)力的要求,做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。
選項(xiàng)B、C、D正確。


附錄1. 從賈憲三角到二項(xiàng)式近似計(jì)算
“計(jì)算機(jī)幫你學(xué)物理”公眾號(hào)早期推文
從賈憲三角到平方和公式的探索
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每一項(xiàng)的系數(shù)剛好是組合數(shù)。當(dāng)a = 1時(shí),b改為x
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附錄2. 三元均值不等式的一種證明

從二元均值不等式開(kāi)始,對(duì)于兩個(gè)非負(fù)數(shù)a、b
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對(duì)兩個(gè)非負(fù)數(shù)ab、cd
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再應(yīng)用一次
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四元均值不等式成立
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當(dāng)a = b = c = d時(shí)取等號(hào)。

下面把第四項(xiàng)d做一個(gè)替換,注意:等式的替換需要等量替換,不等式的替換只需符合條件(這里是非負(fù)數(shù))。

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③式變?yōu)?/span>
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將左邊的d移到右邊
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同取4/3次方
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當(dāng)a = b = c時(shí)取等號(hào)。


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