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微积分在物理竞赛中的应用

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面积为,所以有

为一比例常数,由于体积随时间经过而减少,可知

为常数,由,,可解出,由此可看出雪球的半径随时间经过等速率减少,雪球完全融化时,

所以雪球在10分钟后完全融化。

雨中行车

若你驾驶一辆风玻璃与地面垂直的吉普车欲从甲地到乙地,此时天正下着雨,假设所有雨滴皆以速度 u 垂直落下,且均匀的分布在空气中,请问你是该开的快一点或是慢一点,才能使落在挡风玻璃的雨水总量最少?

解答:

图一

假设每立方公尺中有α克的雨水,若车子以速度 v 前进,以车子为标准坐标来看,则雨水以水平速度 v,垂直速度 u 朝车子而来,假设速度与水平夹角θ,则对单位面积的挡风玻璃来说,在 到 间,落在其上的雨水正好是 时,单位面积上高为 ,倾斜角度θ的圆柱的水﹙如图二﹚

图二

总共有克,所以单位时间单位面积所接收的雨水为 ,若甲到乙地距离 ,挡风玻璃总面积 ,则从甲以等速 v 开车到乙挡风玻璃所接收的雨水共有

为一常数,与 无关。

若并非以等速行车,结果又会是如何呢?假设 v 为 t 的函数,写成 ,单位时间单位面积接收的雨水为 ,假设在 时间后从甲到达乙,则 。则从甲到乙所接收的总雨量为 依然是一个常数,与 v 无关,也就是说不管怎么开,落在挡风玻璃上总雨量都是固定的。

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工人拉船

码头上,有一个圆筒状铁柱,从船上抛出一根绳子,一端固定在船尾,另一端绕铁柱三圈后由一工人拉着,假设工人施力10公斤,绳子与铁柱的磨擦系数是1/3,请问船尾受力多大?

解答:

在绳子与铁柱有 的接触时,拉力 会提供 ﹙接近 ﹚的正压力给铁柱,所以有 ,积分得 ,其中 就是10公斤,,而 ,所以 。

录音带

如果你曾注意过收音机带动录音带的情形,相信你会发现在收听﹙或者快转﹚的时候,在左方的轮子会逆时针旋转,以带动磁带,而原本在右方的磁带地方就会被一直带动,最后会绕到左方的轮子上。

现在我们考虑二个问题:两个轮子磁带半径的变化率之比为多少? 如果我知道录音带从一开始﹙左方的轮子没有磁带,所有磁带都在右方的轮子上﹚转到一半 (左方的磁带量=右方的磁带量﹚时,需要一分钟,并且轮 1 的转速始终保持一定值,那么录音带全部转完的时候需要几分钟呢?

解答:

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..

如果你曾注意过收音机带动录音带的情形时,就会发现到,在收听﹙或者快转﹚的时候,在 1 处的轮子会逆时针旋转,以带动磁带,而磁带原本在 2 的地方就会被一直带动,最后会绕到轮子 1 上。

现在我们想要考虑两个问题: 1. 记为1号轮子在 时刻所绕出的磁带的半径,为2号轮子在 时刻磁带形成圆形的半径,它们会随 而变化,那么两半径的变化率之比﹙即 ﹚为何? 2. 如果我知道录音带从一开始﹙轮 1 没有磁带,所有磁带都在轮 2上﹚转到一半﹙轮 1的磁带量=轮2的磁带量﹚时,需要一分钟,并且轮 1 的转速始终保持一定值,那么录音带全部转完的时候需要几分钟? 第一个问题其实并不难,如果注意到磁带的总量始终保持一定,另一个角度想就是两磁带所绕出的两个圆形面积总和是固定的,于是会有 常数,对 微分后得到

第二个问题我们可以试着用积分的方法解决,首先注意到由于转速是一定﹙记为ω﹚,所以半径 是和 成正比,于是不妨令 ﹙比方说轮子每秒转10圈,那么一秒后半径就多了10个磁带的厚度,两秒后半径就多了20个磁带的厚度﹚另外,我们同样是以圆面积代表磁带量,所以 ﹙一分钟时转了总长的一半,是一比例常数﹚欲解 时的α值。

所以带子全部转完需要分钟。

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撞球问题

你知道撞球的时候球杆应该打在哪里最好吗?

解答:

观察1:

如果球杆打在撞球的中央﹙如图A处﹚则球有速度,但是无旋转的角速度,如此一来球和布会有摩擦, 布会坏掉,可见这不是最佳的点。

球杆应打在让球产生全滚动而不滑动,这是最佳的点。

观察2:

若球一开始有滑动,不久球会开始滚动,滚速会增加,移动速度会减少,而质心速度会增加,到最后会有 ,即滚动而不滑动,而摩擦力会消失。

一些记号:

:球的质心速度 ω:球转动的角速度 :球的半径

:球的转动惯量 :球的质量

由物理学的角度来看,一刚性物体的角动量变化率等于力矩之和,写成数学式即为 ,另外,角动量等于物体的转动惯量乘上角速度,也就是说 ,于是,用到撞球的例子上即为:

.. .

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注:

1.因为撞球的滚动是以贯穿球心的轴而转动,所以其转动惯量为(质心) 2.力矩 ,其中 是转动轴到施力点的方向向量,如果只关心力矩的大小,则

3.要达到全滚动而不滑动,则 ,动量的变化率最后必须全部转变为,瞬间达成。

所以

的值:

1.先计算空心球壳的转动惯量:

最后,计算出

(球壳上的点到轴的距离) (均匀球壳, 质量与面积成正比)

,。

2.计算实心球壳的转动惯量:

.. .

微积分在物理竞赛中的应用

..面积为,所以有为一比例常数,由于体积随时间经过而减少,可知为常数,由,,可解出,由此可看出雪球的半径随时间经过等速率减少,雪球完全融化时,
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