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课题
微分方程的概念
课时
2课时(90min)
教学目标
知识技能目标:
(1)理解微分方程的有关概念
(2)掌握微分方程,微分方程的解,同解特解,微分方程的阶等
素质目标:
(1)通过融入中国数学史和近现代数学家的故事,坚定学生理想信念,厚植爱国主义情怀
(2)培养学生主动交流的合作精神,使学生学会认识不同类型微分方程之间的关系,培养学生善于探索的思维品质
教学重难点
教学重点:微分方程的有关概念
教学难点:微分方程的解,同解特解,微分方程的阶
教学方法
讲解法、问答法、讨论法
教学用具
电脑、投影仪、多媒体课件、教材
教学过程
主要教学内容及步骤
课前任务
【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系,让其提醒同学通过APP或其他学习软件,预习本节课要讲的知识
【学生】完成课前任务
考勤
【教师】使用APP进行签到
【学生】按照老师要求签到
名人故事
【教师】介绍微分几何之父陈省身的故事
【学生】聆听、互动
互动导入
【教师】提出问题:
在研究问题时,人们通常会用函数表达事物内部之间的联系.但是在解决问题的过程中,往往很难找到所需的函数关系,但却容易找到未知函数及其导数或微分与自变量之间的关系.这种关系式就是所谓的微分方程.
你能举出几个现实中的例子吗?
【学生】聆听、思考、讨论、回答
传授新知
【教师】通过大家的发言,引入新的知识点,讲解微分方程的基本概念及几种简单的微分方程
一、两个实例
【教师】通过实例,使学生了解微分方程在解决实际问题中的应用
例1【曲线方程问题】已知曲线上任一点处切线的斜率等于该点2倍,且曲线经过点(1,2),求此曲线方程.
解设曲线方程为,则曲线在点处的切线斜率为.根据题意有
,
对其两边积分,得
,
又曲线经过点(1,2),将代入上式,得.
于是,所求曲线方程为
.
例2【自由落体运动】设一质量为m的质点,在t=0时刻自由下落(空气阻力忽略不计),求其运动方程.
解建立坐标系如图6-1,设运动方程为,由于质点只受重力作用,且力的方向与运动方向相同,由牛顿第二定律,得质点满足方程
图6-1
,
即,
对其两边积分,得
上式两边再同时积分,得
,
其中,是两个独立的任意常数.
又因为,将两个条件代入上式,得.
于是,质点作自由落体的运动方程为
.
以上两个实例所建立的方程和均含有未知函数的导数.
二、微分方程的概念
【教师】提出微分方程的相关概念
一般地,凡含有未知函数的导数(或微分)的等式称为微分方程.微分方程中所含的未知函数的最高阶导数的阶数,称为微分方程的阶.如上述两个实例中是一阶微分方程,是二阶微分方程.
如果微分方程中未知函数及其各阶导数都是一次的,称为线性微分方程;否则称为非线性微分方程.例如,两个实例中的微分方程和都是线性微分方程;和是非线性微分方程.
任何满足微分方程的函数都称为微分方程的解.求微分方程解得过程称为解微分方程.
如果微分方程的解中含有任意常数,且任意常数的个数与微分方程的阶数相同,这样的解称为微分方程的通解.通解中,利用附加条件确定任意常数的取值所得的解称为微分方程的特解,这种附加条件称为初始条件.
如例1中,是微分方程的通解;是微分方程在初始条件下的特解.
通过以上两个实例,我们介绍了微分方程的几个基本概念.微分方程在社会生产实践中,是我们解决许多实际问题的有力工具,现将解决实际问题的方法步骤归纳如下:
(1)建立反映实际问题的微分方程;
(2)按实际问题写出初始条件;
(3)求微分方程的通解;
(4)由初始条件确定所求的特解.
【教师】通过例题,帮助学生掌握微分方程的应用
例3函数(为任意常数)是微分方程的通解吗?说明理由.
解首先验证是微分方程的解,对求导,得
,,
将及代入方程中,得
左边==右边.
所以函数是微分方程的解;又因为解中含有两个独立任意常数,二微分方程是二阶的,故函数是微分方程的通解.
例4【刹车制动问题】列车在直线轨道上以20的速度行驶,当制动时列车获得的加速度为?0.4,问开始制动后多长时间列车才能停住,这段时间内列车行驶了多少米?
解设列车制动后t秒行驶的距离为s米,由题意知,制动后列车行驶的加速度等于?0.4,即
.
初始条件为.
方程两边同时积分,得速度为
,
再积分一次,得
.
将初始条件,代入和,得,.
于是可得制动后列车的速度方程和运动方程,分别为
,
令,得,所以列车从制动开始到停住所需的时间
.
把代入,得列车制动后行驶的路程
【学生】聆听、思考、理解、记忆
强化练习
【教师】组织学生以小组为单位,完成以下习题
已知曲线上任意点处的切线斜率为该点横坐标的倒数,
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