Методы, способы, приемы решения физических задач

Разобьем диск на кольца шириной dx, каждое из которых отстоит от оси вращения на x[0: R]. Масса каждого кольца, вращающегося с линейной скоростью

: dm=

Величиной (dx) 2 в сравнении с 2xdx можно

пренебречь.

dk=

Откуда К=

Метод дифференцирования и интегрирования применяется также для вывода формул.

Вариационные принципы механики, метод виртуальных перемещений

Невариационные принципы устанавливают закономерности движения, совершаемого системой под действием приложенных сил.

Вариационные принципы разделяются на дифференциальные и интегральные. Дифференциальный - это метод виртуальных перемещений, интегральный - следствие из принципа наименьшего действия.

Принцип: Для равновесия любой механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ, действующих на систему сил при любом виртуальном перемещении, равнялась нулю.

Задача: В системе (рис.40) к нижнему блоку подвешен груз массой m. Какую минимальную силу надо приложить к свободному концу нити, чтобы удерживать систему в равновесии? Нити нерастяжимы, блоки невесомы. Нити между блоками считать параллельными.

Пусть точка приложения силы перемещается вертикально вниз на расстояние (-обозначение приращения по Лагранжу). При этом груз m переместится вверх на расстояние h=H

A1A2=0, H-mgh=0, F=

рис.40

Традиционное решение:

Груз пребывает в равновесии, значит силы натяжения, приложенные к любому участку нити, взаимно компенсируют друг друга:

Т0=Т1, Т1=Т2, Т2=Т3, Т3=Т4.

Кроме того, F= Т0; mg= Т1 +Т2 +Т3 +Т4=4F F=.

Задача: В коробке К (рис.41) заключен передающий механизм неизвестной конструкции. При повороте ручки Р вертикальный винт В плавно поднимается. При одном полном обороте (радиус оборота r) винт перемещается на расстояние h. На винт кладут груз массой m. Какое усилие надо приложить к ручке, чтобы удержать систему с грузом в равновесии?

рис.41

Пусти искомая сила F при бесконечно малом повороте на угол совершает работу . При этом груз m поднимается на высоту и работа силы тяжести . Тогда из имеем

F=mg.

Традиционными методами задача не решается так как ничего не известно о механизме передачи скрытом в коробке.

Метод зеркальных изображений

Метод основан на построении изображений предметов в плоских зеркалах. С помощью этого метода можно решать задачи кинематики, оптики, электростатики.

Перед тем как отрабатывать навыки решения задач данным методом со школьниками, либо со студентами необходимо вспомнить как построить изображение в плоском зеркале. На рис.42 показано изображение А1В1 предмета АВ в плоском зеркале ОО1.

Угол падения 1 равен углу отражения 1, ; АО=А1О; ВО1=В1О1. Плоское зеркало меняет "лево" на "право", это свойство имеет значение в оптике и электростатике.

рис.42

Задача: Автомобиль, находящийся на расстоянии l от длинной бетонной стены и движущийся от нее со скоростью v так, как показано на рис.47, посылает короткий звуковой сигнал. Какое расстояние пройдет автомобиль до встречи с отраженным сигналом. Скорость звука u.

рис.43

Сложность задачи связанна с тем, что бы найти точку О1, отразившись от которой звуковой сигнал "нагнала" автомобиль. Построим изображение А1 автомобиля А в бетонной стене. При этом АО=А1О. Пусть АА2 =х - искомое расстояние. Соединив полученные точки А1 и А2, найдем О1. Равные углы обозначим . Путь звукового сигнала АО1А2 равен А1О1А2. По теореме косинусов из AA1A2 найдем

Учитывая, что A1A=2l; AA2=x; Cos () =-Sin=ut=u

x=

Задача: Найти силу взаимодействия точечного заряда q, расположенного на расстоянии r от проводящей бесконечной заземленной плоскости (рис.44) с этой плоскостью.

рис.44

На плоскости в силу явления электростатической индукции находится заряд - q, распределенный по ней. Сила взаимодействия заряда q и индуцированного на плоскости заряда - q эквивалентна силе взаимодействия заряда q и его "зеркального" изображения - q. Так в электростатике появляется "лево" - "право".

F=

Метод экстремума потенциальной энергии

Применяя этот метод можно решать задачи статики, гидростатики, динамики вращательного движения, молекулярной физики и электростатики.

Для решения задач на нахождение условия равновесия системы неободимо найти выражение для потенциальной энергии, продифференцировать его и, приравняв к нулю, решить относительно неизвестного.