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微积分在物理竞赛中的应用

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以等角速度ω旋转的液体,液面的形状如何求得? 解答:

假设它的剖面是一条曲线,Y 轴是转轴,旋转面以 Y 轴为对称轴,此时在液面会得到一正压力 R,R可以同时提供向心力 ,,和重力

因此

其中 、 都是常数,因此该剖面的曲线是拋物线,液面形状是该拋物线绕 Y轴的旋转面。

直接求sin(x)的导函数

从几何上如何找到sin(x)的微分呢? 解答:

dsin?直接求

d?.. .

..

把θ变动△θ,sinθ从 变到 ,我们要了解 与△θ之比,△θ是一小段弦长,是斜线区域这个近似直角三角形的斜边,此 与△θ之比之比可以想成是 cosθ

四只苍蝇飞行问题

有四只苍蝇A,B,C,D分别位于平面上的﹙1,1﹚,﹙-1,1﹚,﹙-1,-1﹚,﹙1, -1﹚,之后它们一起以每秒1单位的速度行动,行动的方式为:

A苍蝇一直向着B苍蝇靠近, B苍蝇一直向着C苍蝇靠近, C苍蝇一直向着D苍蝇靠近,

D苍蝇一直向着A苍蝇靠近,试问:

.. .

..

﹙1﹚四只苍蝇会在何处相遇? ﹙2﹚它们多久会相遇?

﹙3﹚找出A苍蝇的行动轨迹,并大致画出。 ﹙4﹚计算A苍蝇从开始到相遇的路径长。 ﹙5﹚苍蝇A会有什么样的生理反应?

解答:

﹙1﹚、﹙2﹚:

从物理相对运动的点来看A的行进方向始终和B的行进方向保持垂直,你可以想象苍蝇移动了瞬间之后,方向就立即修正﹙参照图一、二、三﹚,由于四只苍蝇是做等速运动,所以每一时刻以四只苍蝇围出来的四边形会是正方形,﹙行进方向垂直加上等速﹚于是当时间愈久的时候,苍蝇愈来愈靠近,正方形愈来愈小,最后会缩成一点,这一点会是原点,这就是他们相遇的地方。此外,A靠近B是垂直方向靠近,所以从B苍蝇看来,A还是以 1 单位 / 秒 的等速向B靠近,原来A、B的距离是 2 单位,因此需要 秒的时间四只苍蝇会相遇﹙,,的推论都一样,∴四只会一起相遇﹚

图一 图二

.. .

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图三

﹙3﹚:

我们将苍蝇A的坐标位置用极坐标的方式表达,,而B的位置就是

要注意的是: 和 都是

的函数

而A的速度是

此向量要与 果﹚

平行,于是﹙如

,初始

值 ,,。 ( ) 其轨迹如下图所示

.. .

..

事实上我们必须注意到,在 的情形下会有 的推论,我们不妨用积分式算出 时刻走了多少路: ﹙等式右边是速度乘上时间﹚,在 的时候,,\\。所以其实苍蝇A的轨迹应为

上述讨论要表达的是说,加上 这一点是需要的,并且加上那一点后,轨迹还是连续的﹙可以想一下如何定义在端点的连续性﹚

﹙4﹚:

由﹙3﹚

﹙5﹚:

由﹙3﹚得知在 到 2 的时候,,换言之,在之前已转了无限多圈,于是苍蝇会“头昏”。

雪球融化

假设雪球融化的速率与表面积成正比,若有一个半径为10公分的雪球,在气温气压皆固定的情况之下,在5分钟后融化为一个半径5公分的雪球,请问雪球完全融化需要多少时间?

解答:

假设此雪球在时间分钟时的半径为公分,由题意可知 , ,又雪球融化的速率与表面积成正比,雪球融化的速率即雪球体积的变化率,雪球的体积为 , 表

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微积分在物理竞赛中的应用

..以等角速度ω旋转的液体,液面的形状如何求得?解答:假设它的剖面是一条曲线,Y轴是转轴,旋转面以Y轴为对称轴,此时在液面会得到一正压力R,R可以同时提供向心力,
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