Квант
Практикум абитуриента

Приближённые вычисления при решении задач по физике

Ростовцев Н. М.

40

Приближенные вычисления при решении задач по физике

Приступая к решению любой физической задачи, прежде всего надо выяснить, какие явления или процессы играют существенно роль, а какие — неисуществую. Пренебрежение несуществ缚ными явлениями неминуемо ведет к пренебрежению относительно малыми величиными, то есть к приближенным вычислениям. Знание формул для приближенных вычислений и умение им们 пользоваться часто очень упрощают расчеты.

Из курса математики известно, что выражение (1+x)n(1+x)^n при ∣x∣<1|x|<1 можно представить в виде

(1+x)n=1+nx+n(n−1)1⋅2x2+n(n−1)(n−2)1⋅2⋅3x3+…(1+x)^n = 1 + nx + \frac{n(n-1)}{1 \cdot 2} x^2 + \frac{n(n-1)(n-2)}{1 \cdot 2 \cdot 3} x^3 + \dots

Здесь nn — любое действительное число. При натуральном nn эта сумма обращается на член nn-й степени; полученная формула называется формулой Ньютона.

Пусть имеется выражение (a+b)n(a+b)^n, тогда из (1)

(a+b)n=an(1+ba)n=an(1+nba+n(n−1)1⋅2(ba)2+… ).(a+b)^n = a^n \left(1 + \frac{b}{a}\right)^n = a^n \left(1 + n \frac{b}{a} + \frac{n(n-1)}{1 \cdot 2} \left(\frac{b}{a}\right)^2 + \dots\right).

Если ∣b∣≪∣a∣|b| \ll |a|, слагаемыеми, содержащими отношение b/ab/a во второй степени и выше, можно пребрежить и ограничиться только первыми двумя слагаемыми:

(a+b)n=an(1+ba)n≈an(1+nba).(a+b)^n = a^n \left(1 + \frac{b}{a}\right)^n \approx a^n \left(1 + n \frac{b}{a}\right).

Какая ошибка возникнет при использовании этой приближенной формулы? Для оценки волне можно считать, что ошибка равна третьему слагаемому в разложении:

Δy=ann(n−1)1⋅2(ba)2.\Delta y = a^n \frac{n(n-1)}{1 \cdot 2} \left(\frac{b}{a}\right)^2.

При решении физических задач часто волне допустимы расчета с точностью до одного процента. Из выражения (3) можно найти максимальное значение величины b/ab/a, при котором точность расчета не выходит за допустимые размеры.

Очень просты и удобны формулы для приближенного вычисления значений тригонометрических функций. Если угол αα, выраженный в радиах, достаточно мал, можно принять

sin⁡α≈α,\sin α \approx α,

tgα≈α,tg α \approx α,

cos⁡α≈1.\cos α \approx 1.

Расчеты показывают, что ошибка не превышает одного процента, если угол αα удовлетворяет условиям

α≤23°≈4.0⋅10−1α \leq 23° \approx 4.0 \cdot 10^{-1}

рад для sin αα,

α≤18°≈3.1⋅10−1α \leq 18° \approx 3.1 \cdot 10^{-1}

рад для tg αα,

α≤8°≈1.4⋅10−1α \leq 8° \approx 1.4 \cdot 10^{-1}

рад для cos αα.

(Это можно проверить, воспользоваться например, таблицами Брадиса.)

В физике довольно часто встречается показательная функция y=axy=a^x. При малых значениях xx выполняется приближенное равенство

ax≈1+lg⁡a0.43x.a^x \approx 1 + \frac{\lg a}{0.43} x.

Рассмотрим теперь несколько конкретных задач.

Задание 1. Сопротивление RR проводника изменяет с помощью амperметра и волтметра по схеме, изображенной на рисунке 1. Сопротивление волтметра RV≫RR_V \gg R. Определите ошибку, которое допускают,

41

вычисляя сопротивление проводника без учета тока, текущей через волтметр.

Сопротивление проводника, расчитанное по показаниям амператора и волтметра, без учета сопротивления волтметра, равно

R′=UI,R' = \frac{U}{I},

где UU — напряжение на волтметре, II — ток, текущий через амператор.

Истинное сопротивление равно

R=UI−IV=UI−U/RV.R = \frac{U}{I - I_V} = \frac{U}{I - U/R_V}.

Искомая ошибка

ΔR=R−R′=UI−U/RV−UI=UI((1−U/RVI)−1−1).\Delta R = R - R' = \frac{U}{I - U/R_V} - \frac{U}{I} = \frac{U}{I} \left( \left( 1 - \frac{U/R_V}{I} \right)^{-1} - 1 \right).

Так как RV≫RR_V \gg R, то U/RV≪IU/R_V \ll I. Применяя формулу (2), получаем

ΔR=R−R′≈UI(1+U/RVI−1)≈U2I2RV.\Delta R = R - R' \approx \frac{U}{I} \left( 1 + \frac{U/R_V}{I} - 1 \right) \approx \frac{U^2}{I^2 R_V}.

Задание 2. На какую долю изменится сила тяжеста при подъеме на высоту h=1h = 1 км над поверхностью Земли? Радиус Земли считать равным R=6400R = 6400 км.

Сила тяжеста тела массой mm у поверхности Земли равна

F0=GmMR2,F_0 = G \frac{mM}{R^2},

где GG — gravitationная постоянная, MM — масса Земли.

По мере удаления от поверхности Земли сила тяжеста уменьшается, и на высоте hh она равна

F1=GmM(R+h)2.F_1 = G \frac{mM}{(R+h)^2}.

Из выражений для F0F_0 и F1F_1 найдем

F0−F1F0=1−F1F0=1−R2(R+h)2=1−1(1+h/R)2=1−(1+hR)−2.\frac{F_0 - F_1}{F_0} = 1 - \frac{F_1}{F_0} = 1 - \frac{R^2}{(R+h)^2} = 1 - \frac{1}{(1+h/R)^2} = 1 - \left( 1 + \frac{h}{R} \right)^{-2}.

Поскольку h≪Rh \ll R, то есть h/R≪1h/R \ll 1, используя формулу (2), получаем

F0−F1F0≈1−(1−2hR)=2hR≈3⋅10−4.\frac{F_0 - F_1}{F_0} \approx 1 - \left( 1 - 2 \frac{h}{R} \right) = 2 \frac{h}{R} \approx 3 \cdot 10^{-4}.

Задание 3. В теории относительной энергии ана-

стицы EkE_k подсчитывают по формуле Ek=E−E0E_k = E - E_0, где EE — энергия двинкушейся частицы, а E0E_0 — энергия покояющей частицы. Покажите, что при скорости частицы v≪cv \ll c (с скорость света) кинетическая энергия приближенного равна m0v2/2m_0 v^2/2, где m0m_0 — масса покояющей частицы.

Согласно теории относительной энергии

E=m0c21−(v/c)2E = \frac{m_0 c^2}{\sqrt{1 - (v/c)^2}} и E0=m0c2.E_0 = m_0 c^2.

Отсюда

Ek=E−E0=m0c2(11−(v/c)2−1)=m0c2((1−v2c2)−1/2−1).E_k = E - E_0 = m_0 c^2 \left( \frac{1}{\sqrt{1 - (v/c)^2}} - 1 \right) = m_0 c^2 \left( \left( 1 - \frac{v^2}{c^2} \right)^{-1/2} - 1 \right).

Так как v≪cv \ll c, то есть v/c≪1v/c \ll 1, а значит, и v2/c2≪1v^2/c^2 \ll 1, применяя формулу (2), найдем

Ek≈m0c2(1+12v2c2−1)=m0v22.E_k \approx m_0 c^2 \left( 1 + \frac{1}{2} \frac{v^2}{c^2} - 1 \right) = \frac{m_0 v^2}{2}.

Задание 4. Тело сскальзывает с наклонной плоскости, составляющей угол α=7∘\alpha = 7^\circ с горизонтом. Найчите ускорение тела, если коэффициент треня тела о плоскости μ=3⋅10−2\mu = 3 \cdot 10^{-2}.

На тело, движущемся по наклонной плоскости, действуют три силы: сила тяжеста mg⃗m\vec{g}, направленная вертикально вниз, сила тяжеста F⃗тр\vec{F}_{\text{тр}}, направленная вверх по наклонной плоскости, и сила нормальной реакции R⃗\vec{R}, перpendикулярная к наклонной плоскости. Спроектируем силы на оси координат OXOX и OYOY, как показано на рисунке 2, и запишем уравнение движения:

mgsin⁡α−Fтр=ma,mg \sin \alpha - F_{\text{тр}} = ma,

R−mgcos⁡α=0.R - mg \cos \alpha = 0.

Учитывая, что

Fтр=μR,F_{\text{тр}} = \mu R,

42

из уравнения движения найдем модуль ускорения тела:
a=g(sin⁡α−μcos⁡α).a = g(\sin \alpha - \mu \cos \alpha).

Так как угол α<8∘\alpha < 8^\circ, можно воспользоваться формулами (4) и (6) и считать, что cos⁡α≈1\cos \alpha \approx 1 и sin⁡α≈α\sin \alpha \approx \alpha (угол α\alpha должен быть выражен в радианах). Подставляя значения cos⁡α≈1\cos \alpha \approx 1 и sin⁡α≈1,2⋅10−1\sin \alpha \approx 1,2 \cdot 10^{-1}, получаем a≈g(1,2⋅10−1−3⋅10−2)=8,8⋅10−1a \approx g(1,2 \cdot 10^{-1} - 3 \cdot 10^{-2}) = 8,8 \cdot 10^{-1} м/с2^2.

Задача 5. Сколько атомов распадается за время t=1t = 1 с одной грамме радия? Перiod полураспада радия T=1600T = 1600 лет. В грамме радия содержится N0=2,6⋅1021N_0 = 2,6 \cdot 10^{21} атомов.

Если число радиоактивных атомов в начальной момент времени равно N0N_0, то, согласно закону радиоактивного распада, по истечении времени tt число NN нерасплавшихся атомов равно

N=N02−t.N = N_0 2^{-t}.

Отсюда можно найти исключение число nn распавшихся атомов:

n=N0−N=N0(1−2−t).n = N_0 - N = N_0 (1 - 2^{-t}).

Поскольку t/T≪1t/T \ll 1, применив формулу (7), получим

n≈N0(1−1+lg⁡20,43tT)≈3,7⋅1010.n \approx N_0 \left(1 - 1 + \frac{\lg 2}{0,43} \frac{t}{T}\right) \approx 3,7 \cdot 10^{10}.

Заметим, что активность радиоактивного превращата, в котором за 1 с распадается 3,7⋅10103,7 \cdot 10^{10} атомов, принимают за единицу активности и называют 1 кюри.

В заключение несколько слов о численных расчетах при решении задачи. Записья краткое условие задачи, разумно все числовые значения представить в виде a⋅10na \cdot 10^n (где 1≤a<101 \leq a < 10), причем с одинаковой степенью точности. В подавляющем большинстве случае в deve значшие цифры. Тогда получившийся результат следует округлить тоже до двух значших цифр (см., например, решение задачи 4).

Упражнения

  1. Подсчитайте максимальные значения aa, при которых погрешности формул (1+a)3≈1+3a(1+a)^3 \approx 1+3a и 1−a≈1−12a\sqrt{1-a} \approx 1 - \frac{1}{2}a не превышает 0,01.

  2. Козффициент линейного распределения латунии a=2⋅10−5K−1a = 2 \cdot 10^{-5} \text{K}^{-1}. На сколько отсталут чисцы с латунным магнитком за сутки вседействие повышения температуры на ΔT=10\Delta T = 10 К?

  3. Определите ускорение свободного падения на высоте 10 км от Земли, если у поверхности оно равно 981 cm/2^2. Радиус Земли R=6400R = 6400 км.

  4. Определите направленность поля системы точных зарядов +q+q и −q-q в точке BB (рис. 3), если l≪Ll \ll L.

  5. Автомашина массой m=2⋅103m = 2 \cdot 10^3 кг трояется с места и идет в гору, наклон копей a=0,02a = 0,02. Пройдя расстояние s=100s = 100 м, она развивает скорость v=32,4v = 32,4 км/ч. Козффициент сопротивления движения k=0,05k = 0,05. Определите среднюю мощность, развиваемого мощом автоматны при этом движении.

Малый интеркосмос

(Начало см. на с. 8)

Коллективы школ, внешкольных учрежений, научно-технических объединений учрежних, принявшие наиболее активное и плотное учятие в конкурсе, а также подзаделения и коллективы предприятый, учрежний, вузов, оказавшие действенную помощь в работе юным техническим и исследователям, будут нагружены почетными дипломами, а преподаватели, руководители кружков, консультанты из числа ученных и специалистов, под руководством которых выполнен работы, победившие на конкурсе, — дипломами и значками.

По всем вопросам организации и проведении конкурса следует обращаться в ЦК ВЛКСМ (Москва, Новая площадь 6/8, тел. 206-84-70, 206-89-92), на Центральную станцию юных технических просвещения РСФСР (тел. 289-75-44), в Московский городской Дворец пиноеров (тел. 139-89-54, 139-84-88).