例析用矢量三角形求最小值

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來(lái)源: 高中學(xué)習(xí)網(wǎng)

矢量三角形法則是從平行四邊形法則演變來(lái)的,是矢量運(yùn)算的法則。用矢量三角形分析和計(jì)算矢量的最小值, 即簡(jiǎn)便又形象,有事半功倍的效果,下面舉例分析。

一、求電場(chǎng)強(qiáng)度最小值

例1 質(zhì)量為m的帶正電小球A懸掛在絕緣細(xì)線上,其電荷量為q,且處勻強(qiáng)電場(chǎng)中。當(dāng)小球A靜止時(shí),細(xì)線與豎直方向成30°角,如圖所示,求勻強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度E的最小值及其方向。

解析:由于小球受重力、電場(chǎng)力和繩的拉力處于靜止?fàn)顟B(tài),故小球所受的重力和電場(chǎng)力的合力一定沿繩的方向向下。根據(jù)三角形法則可做出重力、電場(chǎng)力及其合力的矢量三角形,如圖?梢(jiàn)當(dāng)電場(chǎng)力qE和合力F垂直時(shí),電場(chǎng)力最小,即E最小。

由幾何關(guān)系得:mgsin30°=qE

解得:E。絤g/2q

方向:垂直于繩向上

二、求速度最小值

例2 有一小船在渡河,如圖所示,在離對(duì)岸30m時(shí),其下游40m處有一危險(xiǎn)水域,假若水流速度為5m/s,為了使小船在危險(xiǎn)水域之前到達(dá)對(duì)岸,求小船從現(xiàn)在起,相對(duì)于靜水的最小速度。

解析:小船同時(shí)參與兩個(gè)運(yùn)動(dòng),隨水流的運(yùn)動(dòng)和相對(duì)于水的運(yùn)動(dòng),兩分速度分別為v1和v2,與合速度v可組成矢量三角形,如圖,當(dāng)小船恰好在危險(xiǎn)區(qū)登陸,且v2垂直于v時(shí),v2最小。v2=v1sinα,由位移關(guān)系可得:sinα=3/5 解得最小速度v2=3m/s 船頭指向:與上游河岸成53°。

三、求力的最小值

例3 將質(zhì)量m=5kg的木板置于水平桌面上,其右端三分之一長(zhǎng)度推出桌子邊緣,木板與桌面間動(dòng)摩擦因數(shù)為,試求欲將木板推回桌面所施加的最小推力。

解析:木板受力為:重力mg、支持力FN、摩擦力Fμ、和推力F。因Fμ與壓力成正比,所以Fμ和FN也成正比,兩者的合力方向F合是確定的,且tanα= Fμ/FN=μ,可得α=30°,如圖。

剛好推動(dòng)木板的條件是合力恰好為零,即重力、推力和F合三個(gè)力的合力為零。重力和推力的合力應(yīng)該與F合共線。做重力、推力、及其合力的矢量三角形如圖,可知當(dāng)推力與合力的方向垂直時(shí),其值最小,如圖中的F2?山獾 Fmin=mgsin&alpha 高考;=25N,方向:與水平方向的夾角為30°向上。

此題將支持力和摩擦力合成為一個(gè)方向恒定的力F,通過(guò)這種巧妙的轉(zhuǎn)化,可做出矢量三角形,有此法求解。

四、求動(dòng)量的最小值

例4 真空中存在空間范圍足夠大的、水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)。在電場(chǎng)中,若將一個(gè)質(zhì)量為m、帶正電的小球由靜止釋放,運(yùn)動(dòng)中小球速度與豎直方向夾角為37°(取sin37°=0.6,cos37°=0.8),F(xiàn)將該小球從電場(chǎng)中某點(diǎn)以初速度v0豎直向上拋出。求運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,求小球的最小動(dòng)量的大小及方向。

解析:首先做出電場(chǎng)力和重力的合力F,再做出初動(dòng)量P0的方向。根據(jù)動(dòng)量定理可知,合力的方向和動(dòng)量變化ΔP的方向相同,根據(jù)三角形法則,作出P0、ΔP、和末動(dòng)量Pt的矢量三角形,如圖,當(dāng)Pt垂直于ΔP時(shí),動(dòng)量最小。

解得:Pmin=mv0sin37°=0.6mv0,方向:與電場(chǎng)方向成37°向上。

此題是將電場(chǎng)力和重力合成,得到合力F的方向,從而得到動(dòng)量變化ΔP的方向,通過(guò)轉(zhuǎn)化,得到了動(dòng)量的矢量三角形,此很簡(jiǎn)便。

五、求磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值

例5 如圖所示,平行于紙面水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1=1T。位于紙面內(nèi)的細(xì)直導(dǎo)線,長(zhǎng)L=1m,通有I=1A的恒定電流。當(dāng)導(dǎo)線與B1成60°的夾角時(shí),發(fā)現(xiàn)其受到的安培力為零,則區(qū)域同時(shí)存在的另一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2的可能值( 。

A. B. C.  D.

解析:由題意可知,導(dǎo)線受到的安培力為0,說(shuō)明B1、B2的合磁場(chǎng)B與I平行,B1、B2和B滿足用矢量三角形求最小值的條件。做矢量三角形如圖,可知B2垂直合磁場(chǎng)B時(shí),有最小值,且為B1sin60°=。故正確答案為:BCD

總結(jié):當(dāng)三個(gè)矢量關(guān)系能組成矢量三角形,且其中一個(gè)矢量恒定;另一個(gè)矢量的方向恒定,大小可以變化;第三個(gè)矢量大小和方向都在變化。滿足以上條件可以用該方法求第三個(gè)矢量的最小值,且只有垂直時(shí)最小。



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