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微积分初步
微积分是研究函数的变化规律的重要数学工具,也是高中物理必不可少的数学基础。在高中物理中,我们需要用微积分的思想来理解变化的物理过程。
极限的概念
什么是极限
当一个变量无限趋近于某个确定的值时,函数的值无限趋近于一个确定的常数,我们就说是函数当时的极限,记作:
物理中的例子
当时间间隔无限趋近于0时,平均速度就无限趋近于瞬时速度
当我们把一个运动过程分成无数个非常小的小段,每一小段就无限趋近于0,这样就可以近似认为是匀速运动。
导数的概念
平均变化率
设函数,当自变量从变到时,从变到,则:
叫做函数从到的平均变化率。
导数的定义
当趋近于0时,如果平均变化率的极限存在,这个极限就叫做函数在处的导数,记作或:
导数的几何意义:导数就是函数图像在该点处的切线斜率。
物理意义
在物理学中:
- 位移对时间的导数就是速度:
- 速度对时间的导数就是加速度:
- 动量对时间的导数就是合外力:
- 电场强度是电势对位置的负导数:
基本导数公式
常见函数的导数:
- 常数函数:若(常数),则
- 幂函数:若,则 例如:,;,;,
- 正弦函数:若,则
- 余弦函数:若,则
- 指数函数:若,则
导数的运算法则:
- (C是常数)
定积分的概念
分割求和思想
求变速直线运动的位移:
- 分割:把时间区间分成许多很小的时间段
- 近似代替:在每个小区间内,速度近似不变,可以用近似表示这段时间的位移
- 求和:把所有近似位移加起来,得到总位移的近似值
- 取极限:当分割越来越细,每个都趋近于0时,总和就趋近于准确的位移
定积分的定义
设函数在区间上连续,将分成个小区间,每个小区间长度为,在每个小区间上任取一点,作和式:
当时,如果和式的极限存在,这个极限叫做函数在区间上的定积分,记作:
几何意义:定积分表示曲线、直线、和x轴围成的曲边梯形的面积的代数和(x轴上方为正,下方为负)。
物理意义
在物理学中:
- 速度对时间的定积分就是位移:
- 加速度对时间的定积分就是速度变化:
- 力对位移的定积分就是功:
- 电流对时间的定积分就是电荷量:
微积分基本定理
如果,且在上连续,则:
这个定理告诉我们:求定积分就是求导数的逆运算。只要找到一个函数,它的导数是,那么定积分的值就是。
叫做的一个原函数。
练习题
导数计算
求下列函数的导数: (1) (2) (3)
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(1) 根据加法法则和幂函数导数公式:
(2) 根据乘积法则:
(3) 根据商的法则:
已知质点的运动方程为(x单位:米,t单位:秒),求t=2秒时的瞬时速度和加速度。
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速度是位移对时间的导数:
加速度是速度对时间的导数:
t=2秒时:
答:t=2秒时速度为11 m/s,加速度为4 m/s²。
积分计算
计算定积分: (1) (2)
查看解答
(1) 因为,根据微积分基本定理:
(2) 因为,所以:
已知物体运动的速度为(m/s),求从t=1秒到t=3秒物体经过的位移。
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位移
找到原函数:因为,所以:
答:位移为12米。
物体做直线运动,加速度(m/s²),初速度,求从t=0到t=3秒速度的变化量,并求t=3秒时的速度。
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速度变化量
原函数是,所以:
因为初速度,所以t=3秒时:
答:速度变化量为9 m/s,t=3秒时速度为9 m/s。