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对于数学在物理中的应用,中学师生都不陌生,然而对于物理在数学中的应用,一部分年轻教师和高中学生就不太熟悉了.为开阔师生的视野,体现新课程改革的理念、策略、标准及要求,充分认识数理结合、数理融会贯通的重要性.本文现以部分国内外数学竞赛题为例,归类说明如下,供高中师生教与学时参考.
1 解平面几何问题
[BP(]【例】如图1所示,已知⊙O为△ABC的外接圆,过点A的切线交BC的延长线于点D,若AF:CF=1:2,AD:DC= :1,求AE:BE:AB(2003年山西省太原市初中数学竞赛题)
【解】观察以F为支点的杠杆AC,由于AF:CF=1:2,故可在C点挂1N重物,则在A点可挂2N重物,在F可挂1N 2N=3N重物,这时杠杆AC就达到平衡状态.而AD与⊙O相切,所以由切割线定理知: 所以 ,故BC=DC.再观察以C为支点的杠杆BD,由于C为BD的中点,所以C点所受合力为1N,因而B、D点所受分力为 、 .观察以F为支点的杠杆DE,由于D点所受分力为 ,F点所受合力为3N,所以E点所受分力为3N- = .
观察杠杆AB,由于 从而可知,以E为支点的杠杆AB正好处于平衡状态.因此应用杠杆平衡原理得: 即 因而AE:BE:AB=1:4:5.[BP)]
例1 (2010年西安市高中数学竞赛题)如图1,已知抛物线的弦AB与对称轴QC垂直相交于C,P是抛物线上一动点,直线PA、PB分别交对称轴于D、E,求证:CD CE=CQ.
分析 因为CD=AC·tanα,CE=BC·tanβ=AC·tanβ,CQ=AC·tanθ,故只需证tanα tanβ=tanθ即可.
解 设物体抛出的初速度是v0,抛射角为θ,物体从被抛出点到落地点的距离即最大水平射程为s(如图3中的AB).设物体被抛出后任一时刻t的位置为P(x,y),连接PA、PB.
2 解立体几何问题
例2 (2009年甘肃)已知A、B为平面α外两点,试在α上找一点P,使PA PB最短.
解 由反射定律,入射线、法线和反射线都在同一平面上.因此只要求出这个平面就可以求解.设A、B两点在α内的射影为A′,B′,过AA′,BB′作平面β即所求的平面.P点在平面α与β的交[HJ]线l (即A′B′)上(图3).假设另有一点P′不在l上,则在A′B′上取PA′=P′A′,易证P′B′>P″B′,于是:P′A P′B=P″A P′B>P″A P″B.而P″在l上,P是用对称法求得的最佳点,有P″A P″B>PA PB.所以P′A P′B>PA PB.
3 解平面三角问题
例3 求sin18°的值.
解1 如图4,作五个大小都为1的对称共点力[AKF→]0[AKF→]1[AKF→]2[AKF→]3[AKF→]4,其中[AKF→]0在x轴上,每两个相邻的力的夹角都是72°,由力学知识知,此五力的合力为零、此五力在x轴上的分力之和也为零,即
1 解平面几何问题
[BP(]【例】如图1所示,已知⊙O为△ABC的外接圆,过点A的切线交BC的延长线于点D,若AF:CF=1:2,AD:DC= :1,求AE:BE:AB(2003年山西省太原市初中数学竞赛题)
【解】观察以F为支点的杠杆AC,由于AF:CF=1:2,故可在C点挂1N重物,则在A点可挂2N重物,在F可挂1N 2N=3N重物,这时杠杆AC就达到平衡状态.而AD与⊙O相切,所以由切割线定理知: 所以 ,故BC=DC.再观察以C为支点的杠杆BD,由于C为BD的中点,所以C点所受合力为1N,因而B、D点所受分力为 、 .观察以F为支点的杠杆DE,由于D点所受分力为 ,F点所受合力为3N,所以E点所受分力为3N- = .
观察杠杆AB,由于 从而可知,以E为支点的杠杆AB正好处于平衡状态.因此应用杠杆平衡原理得: 即 因而AE:BE:AB=1:4:5.[BP)]
例1 (2010年西安市高中数学竞赛题)如图1,已知抛物线的弦AB与对称轴QC垂直相交于C,P是抛物线上一动点,直线PA、PB分别交对称轴于D、E,求证:CD CE=CQ.
分析 因为CD=AC·tanα,CE=BC·tanβ=AC·tanβ,CQ=AC·tanθ,故只需证tanα tanβ=tanθ即可.
解 设物体抛出的初速度是v0,抛射角为θ,物体从被抛出点到落地点的距离即最大水平射程为s(如图3中的AB).设物体被抛出后任一时刻t的位置为P(x,y),连接PA、PB.
2 解立体几何问题
例2 (2009年甘肃)已知A、B为平面α外两点,试在α上找一点P,使PA PB最短.
解 由反射定律,入射线、法线和反射线都在同一平面上.因此只要求出这个平面就可以求解.设A、B两点在α内的射影为A′,B′,过AA′,BB′作平面β即所求的平面.P点在平面α与β的交[HJ]线l (即A′B′)上(图3).假设另有一点P′不在l上,则在A′B′上取PA′=P′A′,易证P′B′>P″B′,于是:P′A P′B=P″A P′B>P″A P″B.而P″在l上,P是用对称法求得的最佳点,有P″A P″B>PA PB.所以P′A P′B>PA PB.
3 解平面三角问题
例3 求sin18°的值.
解1 如图4,作五个大小都为1的对称共点力[AKF→]0[AKF→]1[AKF→]2[AKF→]3[AKF→]4,其中[AKF→]0在x轴上,每两个相邻的力的夹角都是72°,由力学知识知,此五力的合力为零、此五力在x轴上的分力之和也为零,即