递推法和假设法在高中物理解题中的应用

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  由于高中物理学习的内容较多,难度系数也较大,学好物理是非常困难的.但是学贵得法,在学习的过程中不光要学习理论知识,还要学会学习,掌握一定的解题方法,这样才能学以致用,解决实际问题.本文中,笔者主要探究了递推法和假设法的解题策略,希望能对学生解题能力的提升起到有效的助推作用.
  
  一、递推法解题分析
  
  递推法在高中物理解题中是极为常见的方法,顾名思义,这种方法多用在物体发生多次运动或者作用之后,也就是说物体运动中所牵扯的关系较多,并且过程中有一定的规律可循,在解决的时候可以仔细观察,耐心寻找,利用数学方法和物理知识,把问题归类,然后再求出通式,运用这种方法的关键是导出联系相邻两次作用的递推关系式,然后推而广之.
  
  
  例1 如图1所示:A、B、C三只老虎所处的位置正好构成一个边长为a的正三角形,三只老虎的奔跑速度都是v,A虎想追捕B虎,B虎想追捕C虎,C虎想追捕A虎,为了追到想追的对象,老虎们会不断调整方向,速度方向始终“盯”住对方,三只老虎同时起跑,问多久后可追到猎物?
  
  
  试题解析:从题干中我们得知,三只老虎A/B/C在做等速率曲线运动,根据等边三角形的性质得知,任一时刻三只老虎的位置都分别在正三角形的三个顶点上,但这正三角形的边长不断减小,待求的是追不到猎物的时间,根据问题分析,需要用微元法转化问题,把等速率曲线运动变成等速率直线运动,然后在采用递推法解答问题.
  假设追捕到猎物的时间是t,我们再把t分为n个微小时间间隔Δt,在每一个Δt内三只老虎的运动可视为直线运动,每隔Δt,正三角形的边长分别为a1、a2、a3、…、an,显然当an→0时三只老虎相遇,由此分析可以得出:
  
  
   
  a1=a-AA1-BB1cos60°=a-3 2
  vΔt,
  a2=a1-3 2vΔt=a-2×3 2
  vΔt,
  ……
  an=a-n•3 2vΔt
  
  因为a-n•3 2vΔt=0,
  
  即
  nΔt=t,所以t=2a 3v.
  
  二、假设法解题分析
  
  假设法是解决理工科问题通用的方法,它是巧妙的运用问题中待求的问题,在与题干给出的已知条件不相违背的基础上,解题者为了简化解题过程,人为的有规则有规律的加、减去部分条件,以实现问题的解决.在高中物理试题求解中,假设法的运用是极为普遍又有效的,常见的有假设物理情景、物理过程及物理量等,假设法的运用打破了解决物理难题的常规方法,为解决物理难题找到了新的路径,一定程度上有利于化解疑难问题.
  
  
  例2已知半径为r、质量相等的三个球放在一个半球形碗内,现在需要放第4个一模一样的球在这三个球的正上方,要求是四个球都能静止,在忽视摩擦力的情况下求半球形碗的半径?
  
  
  试题解析:依据题干,我们假设碗的球面半径很大,把碗面变成平面.由于球体非常的光滑,也没有摩擦力,所以当放上第4个球体的时候,下面的三个球都会出现散开的现象,临界情况是放上第4个球后,其它三球之间刚好无弹力.假设我们把上面的球记为A,下面依次为B、C、D,则四球球心连起来就会构成一个如图2一样的边长为2r的正四面体.
  
  设A、B球心的连线与竖直方向的夹角为α,设碗面球心为O,O与B球心的连线与竖直方向的夹角为β,碗面对上面三个球的作用力都为F,如图3.
  
  
  先以整体为研究对象,受重力、碗面对三个球的弹力F,在竖直方向上有
  
  3Fcosβ=4mg①
  
  再以B球为研究对象,受重力mg、碗面
  
  对B球的作用力F、A球对B的压力FN,根据共点力平衡条件,有
  
  Fcosβ=mg+FNcosα
  Fsinβ=FNsinα
   
  
  消去FN,得:
  
  tanα=Fsinβ
  
  Fcosβ-mg ②
  
  ①、②联立,消去F得:
  
  tanβ=1 4tanα③
  
  因为四个球的球心构成一个边长为2r正四面体,如图3所示,根据几何关系,可以知道:
  
  tanα=BO′ AO′
  
  =BO′ AB2-BO′2
  =2 3×3 2×2r
  
  (2r)2-(23 3r)2
  =1 2.
  
  
  
  代入③式得: tanβ=1 4
  
  2
  
  于是碗面的半径为
  R=BO+r
  =
  
  BO′ sinβ
  +r
  =
  
  BO′1+cot2β+r=
  7.633r.
  
  所以半球形碗的半径需满足R≤7.633r.
  
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