高中物理竞赛的数学基础

高中物理竞赛的数学基础 ; 普通物理的数学根底选自赵凯华老师新概念力学一、微积分初步物理学研究的是物质的运动规律，因此我们经常遇到的物理量大多数是变量，而我们要研究的正是一些变量彼此间的联系。这样，微积分这个数学工具就成为必要的了。我们考虑到，读者在学习根底物理课时假设能较早地掌握一些微积分的初步知识，对于物理学的一些根本概念和规律的深入理解是很有好处的。所以我们在这里先简单地介绍一下微积分中最根本的概念和简单的计算办法，在讲述办法上不求严格和完整，而是较多地借助于直观并密切地结合物理课的需要。至于更系统和更深入地掌握微积分的知识和办法，读者将通过高等数学课程的学习去完成。1函数及其图形本节中的不少内容读者在初等数学及中学物理课中已学过了，现在我们只是把它们联系起来复习一下。11函数自变量和因变量绝对常量和任意常量在数学中函数的功能是这样定义的：有两个互相联系的变量x和y，如果每当变量x取定了某个数值后，按照一定的规律就可以确定y的对应值，我们就称y是x的函数，并记作y=f(x，A1其中x叫做自变量，y叫做因变量，f是一个函数记号，它表示y和x数值的对应关系。有时把y=fx也记作y=yx。如果在同一个问题中遇到几个不同形式的函数，我们也可以用其它字母作为函数记号，如x、x等等。常见的函数可以用公式来叙述，示例ex等等。在函数的叙述式中，除变量外，还往往包含一些不变的量，如上面切问题中出现时数值都是确定不变的，这类常量叫做绝对常量；另一类如a、b、c等，它们的数值需要在具体问题中具体给定，这类常量叫做任意常量。 1在数学中经常用拉丁字母中最前面几个如a、b、c代表任意常量，最后面几个x、y、z代表变量。当y=fx的具体形式给定后，我们就可以确定与自变量的任一特定值x0相对应的函数值fx0。示例：1假设y=fx=3+2x，那么当x=-2时y=f-2=3+23-2=-1 一般地说，当x=x0时，y=fx0=3+2x0 12函数的图形 在解析几何学和物理学中经常用平面上的曲线来表示两个变量之间的函数关系，这种办法对于我们直观地了解一个函数的特征是很有帮忙的。作图的方法是先在平面上取一直角坐标系，横轴代表自变量x，纵轴代表因变量函数值y=fx这样一来，把坐标为x，y且满足函数关系y=fx的那些点连接起来的轨迹就构成一条曲线，它描绘出函数的面貌。图A-1便是上面举的第一个例子y=fx=3+2x的图形，其中P1，P2，P3，P4，P5各点的坐标分别为-2，-1、-1，1、0，3、1，5、2，7，各点连接成一根直线。图A-2是第二个例子各点连接成双曲线的一支。13物理学中函数的实例反映任何一个物理规律的公式都是叙述变量与变量之间的函数关系的。下面我们举几个例子。1匀速直线运动公式s=s0vt， A2此式叙述了物体作匀速直线运动时的位置s随时间t变化的规律，在这里t相当于自变量x，s相当于因变量y，s是t的函数。因此我们记作s=sts0vt， A3式中初始位置s0和速度v是任意常量，s0与坐标原点的选择有关，v对于每个匀速直线运动有一定的值，但对于不同的匀速直线运动可以取不同的值。 2图A-3是这个函数的图形，它是一根倾斜的直线。下面我们将看到，它的斜率等于v 2匀变速直线运动公式v=v0at， A5两式中s和v是因变量，它们都是自变量t的函数，因此我们记作 vvtv0tatA7图A-4a、4b分别是两个函数的图形，其中一个是抛物线，一个是直线。A6和A7式是匀变速直线运动的普遍公式，式中初始位置s0、初速v0和加速度a都是任意常量，它们的数值要根据讨论的问题来具体化。示例在讨论自由落体问题时，如果把坐标原点选择在开始运动的地方，那么s00，v00，ag9.8ms2，这时A6和A7式具有如下形式： vvtgt A9这里的g可看作是绝对常量，式中不再有任意常量了。 3玻意耳定律 PVC A10上式叙述了一定质量的气体，在温度不变的条件下，压强P和体积V之间的函数关系，式中的C是任意常量。我们可以选择V为自变量，P为因变量，这样，A10式就可写作 它的图形和图A-2是一样的，只不过图中的x、y应换成V、P在A10式中我们也可以选择P为自变量，V为因变量，这样它就应写成 由此可见，在一个公式中自变量和因变量往往是相对的。 4欧姆定律 3UIR A13当我们讨论一段导线中的电流I这样随着外加电压U而改变的问题时，U是自变量，I是因变量，R是常量。这时，A13式应写作 即I与U成正比。应当指出，任意常量与变量之间的界限也不是绝对的。示例，当我们讨论串联电路中电压在各电阻元件上分配问题时，由于通过各元件的电流是一样的，A13式中的电流I成了常量，而R是自变量，U是因变量，于是UURIR， A15 即U与R成正比。但是，当我们讨论并联电路中电流在各分支里的分配问题时，由于各分支两端具有共同的电压，A13式中的U就成了常量，而R为自变量，I是因变量，于是 即I与R成反比。 总之，每个物理公式都反映了一些物理量之间的函数关系，但是其中哪个是自变量，哪个是因变量，哪些是常量，有时公式本身反映不出来，需要根据我们所要讨论的问题来具体分析。2导数21极限如果当自变量x无限趋近某一数值x0记作xx0时，函数fx的数值无限趋近某一确定的数值a，那么a叫做xx0时函数fx的极限值，并记作 A17式中的“lim是英语“limit极限一词的缩写，A17式读作“当x趋近x0时，fx的极限值等于a。极限是微积分中的一个最根本的概念，它波及的问题面很广。这里我们不企图给“极限这个概念下一个普遍而严格的定义，只通过一个特例来表明它的意义。考虑下面这个函数： 这里除x1外，计算任何其它地方的函数值都是没有困难的。示例当 4 但是假设问x1时函数值f1？我们就会发现，这时A18式的 说是没有意义的。所以叙述式A18没有直接给出f1，但给出了x无论如何接近1时的函数值来。下表列出了当x的值从小于1和大于1两方面趋于1时fx值的变化情况：表A-1 x与fx的变化值2x 3x-x-2 x-1 0.9 0.99 0.999 0.9999 1.1 1.01 1.001 1.0001-0.47 -0.0497 -0.004997 -0.0004997 0.53 0.503 0.005003 0.00050003-0.1 -0.01 -0.001 -0.0001 0.1 0.01 0.001 0.00014.7 4.97 4.997 4.9997 5.3 5.03 5.003 5.0003从上表可以看出，x值无论从哪边趋近1时，分子分母的比值都趋于一个确定的数值5，这便是x1时fx的极限值。其实计算fx值的极限无需这样麻烦，我们只要将A18式的分子作因式分解：3x2-x-23x2x-1，并在x1的情况下从分子和分母中将因式x1消去： 即可看出，x趋于1时函数fx的数值趋于33125。所以根据函数极限的定义， 22几个物理学中的实例1瞬时速度 5