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链式法则:问题求解
2.7
金属棒在受热时会因线性热膨胀而伸长。其长度变化取决于初始长度、材料的热膨胀系数以及系统温度的变化。
此处,杆的温度随时间呈二次变化。
目标是求在已知热膨胀系数的情况下,一根2米长的金属杆在恰好10秒时长度的瞬时变化率。
由于长度取决于温度,而温度又取决于时间,因此应用链式法则。
为了简化链式法则的计算,将微分过程分为两个不同的部分。
首先,长度对温度求导。该求导结果为一个常数:即初始长度与膨胀系数的乘积。
其次,利用幂法则对温度关于时间求导,得到线性变化速率。
根据链式法则,最终速率是这两个分量的乘积。将 10 秒时的已知值代入,可得到长度所需的瞬时变化率。
金属棒的热膨胀展示了链式法则在一个物理量依赖于随时间变化的另一个物理量时的应用。随着金属棒被加热,其长度按线性热膨胀规律随温度变化,而系统温度则随时间按二次函数关系变化。
对于线性热膨胀,金属棒的长度 L 随温度 T 变化,且长度关于温度的变化率为常数:
其中,L_0 = 2 m 为金属棒的初始长度,α…