2019東城二模24題探究:函數圖像法求解彈簧模型中的最值問題

2020-12-05 大禹未來教育

上一篇文章我們講了數形結合思想解決燈泡功率問題中的應用,這次我們來講講函數圖像法在解決彈簧模型最值問題中的應用。

各位請看題:【題目來自於2019年東城二模理綜試卷物理部分】

本題第(1)(2)問考查的是彈簧類碰撞模型(動量守恆,機械能守恆),其中

第(1)問考查的是完全非彈性碰撞,即當AB共速時,彈簧的彈性勢能最大:

第(2)問考查的是彈性碰撞,當彈簧恢復原長時,B的速率最大。

如果我們將AB的運動過程用v-t圖象來表示一下的話,會是下圖:

可見A和B的速度都是關於時間的變量。

第(3)問如是說:

「若在滑塊B的右側某處固定一彈性擋板C,擋板的位置不同。。。此後運動過程中,AB系統的彈性勢能的最大值為EPm,擋板位置不同,EPm的數值不同,求EPm的最小值。」

題目的意思翻譯過來就是:擋板位置不同,碰撞的時刻就不同,對應碰撞時B的速度就不同,對應的彈性勢能也就不同。思考之後,我們會發現這其實是一個求函數最值的問題(注意這題是要求物理最大值的數學最小值)

面對這類問題,第一步:我們要先根據題意建立函數表達式:

設B與擋板碰撞前瞬間的速度為v1,根據動量守恆定律,我們會發現:

B與擋板碰撞後瞬間速度變為- v1,之後A、B及彈簧組成的系統動量守恆,當AB再次共速時,系統的彈性勢能最大,根據動量守恆定律和機械能守恆定律列式即可。

將v2用v1表示後,代入上述的能量守恆式,可得

第二步:觀察函數表達式,繪製函數圖像。

這是一個二次函數,其中自變量為v1,根據前面求得的結果,我們可知道v1的定義域為

其函數圖像如下:

由圖可知,

其實高考對函數思想的考查由來已久,比如閉合電路中外電路電阻多大時輸出功率最大,比如高度一定時,繩長多少拋射距離最遠等,希望大家有所收穫。

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