數學中的極值問題主要是解決數學函數與其定義域之間的關系問題,受到數學條件的約束。
但物理極值與數學極值有著明顯的區別,物理極值本質上是物理現象受物理條件制約的動態范圍、發展變化趨勢和極限,物理極值往往表現為物理約束下的最大值或最小值,這與數學極值有著本質區別。
從思維表現上來說,尋求極值的過程是一個綜合歸納和演繹的過程。在復雜變化的條件中,需要總結出一般的狀態表現,在此基礎上通過演繹推理,尋求特殊的極值模型。這也是建立理想化的模型,也需要理想化。
顯然高中物理的極值,求極值的過程是一個綜合運用幾種常規思維方法的高級思維過程。另一方面,求極值的過程需要運用一些初等數學方法,需要扎實的數學基礎。從所用數學方法來看,可以采用以下幾種方法來尋找極值:
(一)利用分數性質求極值
【例1】物體A放在水平面上,作用在A上的推力F與水平方向成30°角,如圖所示高中物理的極值,使A做勻速直線運動。求物體A與水平面之間的摩擦系數μ的值,使得無論F有多大,A仍能在水平面上做勻速直線運動?
解:A所受力如圖所示,已知A處于平衡狀態,所以:Fcosα=o=μ(G+o),所以F=。已知當公式分母為零時,即F→∞時為勻速運動,sin30o-μcos30o=0,則μ=tg30o=0.58,則F→∞,此時A可在水平面上作勻速直線運動。
(二)利用二次方程求根公式求極值
對于某些問題,通過分析各列之間的關系,最終可以得到一個關于某個未知量的二次方程,它的根可能就是所求的極值,這種方法應用十分廣泛。
(三)利用二次方程的判別式△=b2-4ac≥O求極值
【例2】一個質量為M的圓環用細線懸掛,兩顆質量為m的帶孔小珠放在圓環上,可以無摩擦地沿圓環滑動,如圖(a)所示。現在把兩顆珠子從靜止的圓環頂端放開,證明當m>M時,圓環可以上升。
證明:以小球為研究對象,所受力如圖(a)所示,根據牛頓第二定律可得mgcosθ+N= 根據機械能守恒定律可得mgR(1-cosθ)= 由這兩個方程可得N=2mg-θ (1)
上式中,N>0,即cosθM為上升條件。
總結:從以上例子可以看出,在運用判別式解決問題時,一定要注意所設二次方程的特點,即表示為兩個未知數,二次未知數作為自變量,其余量由判別式確定。
(四)利用y=ax2+bx+c的極值條件和物理量的邊界條件尋找極值
這里是兩種方法的綜合運用。一是利用未知量確定的二次三項式的系數求最大(或最小)值,條件為x=-b/2a;二是取題目給出的物理量具體取值范圍的邊界值,確定最小(或最大)值。把兩方面的結果結合起來,就是所求的取值范圍。
(五)利用三角函數尋找極值
(六)利用數學歸納法尋找極值
這種方法在數學中很常用,在物理學中也可以應用留學之路,它所求解問題的已知條件往往表現為連續、無限變化,運用這種方法本身就是典型的歸納思維過程。
(七)其他求極值的方法
(1)利用排列組合尋找極值;
(2)利用圖像尋找極值;
(3)利用臨界條件尋找極值;
(4)利用幾何方法尋找極值;
(5)求出原子能級躍遷產生的輻射射線的最大數量[C=n]等。
從以上方法可以看出,靈活運用數學手段是解決問題的保證。但問題中的關鍵條件必須通過物理分析得到,結果也必須是物理解。物理極值問題需要很強的思維能力,要有針對性地進行訓練。要有意識地掌握幾種求極值的方法。