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解具有对称性的问题,如果仍按照常规思维,运用一般的方法,则往往难以求解.若能恰当地运用对称法,则可以化难为易,顺利求解.
例1:沿波的传播方向有距离小于1个波长的A、B两点,在t=0时刻,两点的速度相等,经过时间Δt=0.01s,两点首次变为加速度相等,已知波长为12m,求波速.
分析:(1)由于A、B两点速度相等,则此时两点必然是关于处于平衡位置的质点C0对称,如图1或图1′所示.
(2)当A、B两点变为加速度相等时,则此时两点必然是关于处于最大位移的质点C′对称,如图2或图2′所示.
(3)综合初、末状态,可画出图3或图3′的波形,A0、B0、C0为A、B、C所对应的平衡位置,由以上对称性的分析,可知初状态(图中实线所示的波形)与末状态(图中虚线所示的波形)所经历的时间正是对称中心质点C由平衡位置运动到最大位移处所用的时间,即0.01s正是四分之一个周期.
解:由以上分析可知T/4=0.01,则T=0.04s
波速V=λ/T=(12/0.04)m/s=300m/s
对称性是振动和波动的重要特性.本例应用了对称法使问题大为简化,此题若不从对称性入手分析,则很难求解.
例2:有位牧童在回家之前,先要把牛牵到河边去饮水,然后再将牛牵回家中.如图4所示,已知家在位置B,距河岸边500m,牧童所在位置A与岸边相距200m,与家相距500m,试问牧童至少要走多少路程才能回到家中(准确到1m),怎么走用时最短?并在图中作出牧童所走过的最短路线.
分析:这是一道关于路程、速度、时间三者之间关系的问题,只要求出行走最短路程,根据行走速度,可求出所需时间.如图4所示,假设牧童由A先到达河边的C1点,然后再回到家中,那么牧童走过的路程应为AC1+ C1B.我们以河岸边为对称轴,作出B点的对称点B′,由对称性可知C1B=C1B′.也就是说,牧童走过的路程相当于从A走到C1,再从C1走到B′所走的路程.至此,我们不难在图中画出最短行程路线:先把A与B′用直线相连,交岸边于C点(CB′用虚线相连),然后再将C与B用直线连接,如图4所示,牧童由A经C再到B,即为其所走路程最短的路线.
在以上分析的基础上,我们利用勾股定理,不难求出牧童所走的最短路程为806m,即牧童至少要走806m的路程才能回到家中.如果牛的行走速度为2.5m/s,约需要5.4min就可到家.
从以上两例可以看出,直观、便捷是对称法解题的突出特点,对具有对称性的问题,我们可以先尝试依据对称规律进行图解,巧妙转化,往往能化难为易,大大简化繁琐的计算过程。
编辑:张昀
例1:沿波的传播方向有距离小于1个波长的A、B两点,在t=0时刻,两点的速度相等,经过时间Δt=0.01s,两点首次变为加速度相等,已知波长为12m,求波速.
分析:(1)由于A、B两点速度相等,则此时两点必然是关于处于平衡位置的质点C0对称,如图1或图1′所示.
(2)当A、B两点变为加速度相等时,则此时两点必然是关于处于最大位移的质点C′对称,如图2或图2′所示.
(3)综合初、末状态,可画出图3或图3′的波形,A0、B0、C0为A、B、C所对应的平衡位置,由以上对称性的分析,可知初状态(图中实线所示的波形)与末状态(图中虚线所示的波形)所经历的时间正是对称中心质点C由平衡位置运动到最大位移处所用的时间,即0.01s正是四分之一个周期.
解:由以上分析可知T/4=0.01,则T=0.04s
波速V=λ/T=(12/0.04)m/s=300m/s
对称性是振动和波动的重要特性.本例应用了对称法使问题大为简化,此题若不从对称性入手分析,则很难求解.
例2:有位牧童在回家之前,先要把牛牵到河边去饮水,然后再将牛牵回家中.如图4所示,已知家在位置B,距河岸边500m,牧童所在位置A与岸边相距200m,与家相距500m,试问牧童至少要走多少路程才能回到家中(准确到1m),怎么走用时最短?并在图中作出牧童所走过的最短路线.
分析:这是一道关于路程、速度、时间三者之间关系的问题,只要求出行走最短路程,根据行走速度,可求出所需时间.如图4所示,假设牧童由A先到达河边的C1点,然后再回到家中,那么牧童走过的路程应为AC1+ C1B.我们以河岸边为对称轴,作出B点的对称点B′,由对称性可知C1B=C1B′.也就是说,牧童走过的路程相当于从A走到C1,再从C1走到B′所走的路程.至此,我们不难在图中画出最短行程路线:先把A与B′用直线相连,交岸边于C点(CB′用虚线相连),然后再将C与B用直线连接,如图4所示,牧童由A经C再到B,即为其所走路程最短的路线.
在以上分析的基础上,我们利用勾股定理,不难求出牧童所走的最短路程为806m,即牧童至少要走806m的路程才能回到家中.如果牛的行走速度为2.5m/s,约需要5.4min就可到家.
从以上两例可以看出,直观、便捷是对称法解题的突出特点,对具有对称性的问题,我们可以先尝试依据对称规律进行图解,巧妙转化,往往能化难为易,大大简化繁琐的计算过程。
编辑:张昀