由一道變力做功的幾種解法談微積分概念的建立

趙小俠

摘要：對一道變力做功的幾種解法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可以看出建立起基本的微積分概念則可以運(yùn)用三種方法對該題得出正確結(jié)論，否則如果微積分概念的缺失必然得出錯(cuò)誤的結(jié)論。最后對微積分發(fā)展史進(jìn)行了簡單回顧。

關(guān)鍵詞：功;變量;微積分

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）12-0320-02

大學(xué)新生第一學(xué)期期末的大學(xué)物理試卷中筆者出了一道變力做功的題。具體見下面。

設(shè)作用在質(zhì)量為2kg上的物體上的力F=6t（N），若物體由靜止出發(fā)沿直線運(yùn)動(dòng)，求物體開始的2s內(nèi)，該力所做的功。

現(xiàn)代物理是建立在微積分概念基礎(chǔ)上的，微積分[3]是人類智力的偉大成就之一，它的歷史地位介于自然科學(xué)與人文科學(xué)之間，成為高等教育成果碩然的中介。在物理學(xué)發(fā)展史中微積分概念作為人類智力斗爭的成果散發(fā)出無限的魅力。微積分的概念源于古希臘數(shù)學(xué)家在試圖表達(dá)關(guān)于直線的比率或比例的直覺觀點(diǎn)時(shí)遭遇的邏輯困境時(shí)涉及的無窮小概念。正是運(yùn)用了具有該啟發(fā)性的概念導(dǎo)致了牛頓（Newton）和萊布尼茲（Leibniz）微積分運(yùn)算的產(chǎn)生。微積分的基本定義-導(dǎo)數(shù)和積分產(chǎn)生于人類對自然界中事物最明顯的兩個(gè)特征-事物的多樣性和可變性的長期觀察和理性思考。導(dǎo)數(shù)在數(shù)學(xué)上是用來表示曲線或函數(shù)在一點(diǎn)性質(zhì)的數(shù)學(xué)工具，物理學(xué)上與運(yùn)動(dòng)物體的瞬時(shí)特性緊密相關(guān)。數(shù)學(xué)家們正是借助于平均速度的無限趨近來定義瞬時(shí)速度從而帶來了導(dǎo)數(shù)的定義。牛頓（Newton）和萊布尼茲（Leibniz）發(fā)現(xiàn)了被稱為“整個(gè)微積分的根本思想”的定積分與被積函數(shù)的原函數(shù)間的關(guān)系式即我們熟悉的牛頓-萊布尼茲公式[4]。即連續(xù)函數(shù)f（x）的定積分F（x）=■f（t）dt有一個(gè)導(dǎo)數(shù)，它恰好是同一個(gè)函數(shù)F′（x）=f（x）。即連續(xù)函數(shù)f（x）從a到b的定積分的値是可以以f（x）為導(dǎo)數(shù)的函數(shù)F（x）在x=a和x=b的差値來表示。在導(dǎo)數(shù)和積分定義時(shí)都涉及了無窮數(shù)列的概念，該無窮數(shù)列是通過連續(xù)地并且無限度地來減小自變量的區(qū)間獲得的，這樣連續(xù)分割獲得盡可能小區(qū)間或者數(shù)學(xué)上稱為微分。所以說微積分是建立在無限分割和漸變或者說微小變化的基礎(chǔ)上的，以微積分的觀點(diǎn)可以把一個(gè)變量無限分割，則在這樣的無限分割過程中量的變化如此微小以至于可以把它看作是恒量來看待，再把這種變化劃分為無限個(gè)的量求和也就是積分來看待。

由此可以看出，只要物理概念清晰，正確運(yùn)用定律定理，雖然三種采用的方法繁簡程度不一，但是條條大路通羅馬，無論采用什么方法都可以得出正確的答案，但是如果基本微積分的概念沒有建立起來的話該題是無從下手，即使運(yùn)用比較熟悉的中學(xué)公式也得不出正確的答案。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬文蔚，等.《物理學(xué)》上冊[M].第五版.北京：高等教育出版社，2005：65.

[2]馬文蔚，等.《物理學(xué)》上冊[M].第五版.北京：高等教育出版社，2005：63.

[3] Boyer C B.History and Philosophy of Science：History of Analytic Geometry [J].Science，1957，125：823-824.

[4]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)上冊 [M].北京：高等教育出版社，2002：290-291.