18学年高一物理力学专题提升专题09牛顿运动定律的应用之临界极值问题.docx
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18学年高一物理力学专题提升专题09牛顿运动定律的应用之临界极值问题
专题09牛顿运动定律的应用之临界极值问题
【专题概述】
临界与极值问题是中学物理中的常见题型,结合牛顿运动定律求解的也很多,临界是一个特殊的转换状态,是物理过程发生变化的转折点,在这个转折点上,系统的某些物理量达到极值.临界点的两侧,物体的受力情况、变化规律、运动状态一般要发生改变.
临界或极值条件的标志
(1)有些题目中有“刚好”、“恰好”、“正好”等字眼,表明题述的过程存在临界点。
(2)若题目中有“取值范围”、“多长时间”、“多大距离”等词语,表明题述的过程存在“起止点”,而这些起止点往往就对应临界状态。
(3)若题目中有“最大”、“最小”、“至多”、“至少”等字眼,表明题述的过程存在极值,这个极值点往往是临界点。
(4)若题目要求“最终加速度”、“稳定速度”等,即是求收尾加速度或收尾速度。
绳、轻杆、接触面形成的临界与极值情况
1.轻绳形成的临界与极值
由轻绳形成的临界状态通常有两种,一种是轻绳松弛与绷紧之间的临界状态,其力学特征是绳仍绷直但绳中张力为零;另一种是轻绳断裂之前的临界状态,其力学特征是绳中张力达到能够承受的最大值.
2.轻杆形成的临界与极值
与由轻绳形成的临界状态类似,一种杆对物体产生拉力与推力之间的临界状态,力学特征是该状态下杆对物体的作用力为零;另一种是轻杆能承受的最大拉力或最大压力所形成的临界状态.
3.接触面形成的临界与极值
由接触面形成的临界状态相对较多:
①接触面间分离形成的临界,力学特征是接触面间弹力为零
②接触面间滑动形成的临界.力学特征是接触面间静摩擦力达到最大值
③接触面间翻转、滚动形成的状态,力学特征是接触面间弹力的等效作用点与瞬时转轴重合.或说是接触面间弹力的作用线通过瞬时转轴.
处理临界问题的三种方法
极限法
把物理问题(或过程)推向极端,从而使临界现象(或状态)暴露出来,以达到正确解决问题的目的
假设法
临界问题存在多种可能,特别是非此即彼两种可能时,或变化过程中可能出现临界条件,也可能不出现临界条件时,往往用假设法解决问题
数学法
将物理过程转化为数学表达式,根据数学表达式解出临界条件
解决临界问题的基本思路
(1)认真审题,详尽分析问题中变化的过程(包括分析整体过程中有几个阶段);
(2)寻找过程中变化的物理量;
(3)探索物理量的变化规律;
(4)确定临界状态,分析临界条件,找出临界关系。
挖掘临界条件是解题的关键。
如例5中第
(2)的求解关键是:
假设球刚好不受箱子的作用力,求出此时加速度a。
【典例精讲】
【典例1】如图所示,在水平向右运动的小车上,有一倾角为α的光滑斜面,质量为m的小球被平行于斜面的细绳系住并静止在斜面上,当小车加速度发生变化时,为使球相对于车仍保持静止,小车加速度的允许范围为多大?
【答案】
【解析】如图,对小车受力分析有:
名师点睛
解决临界问题,关键在于找到物体处于临界状态时的受力情况和运动情况,看临界状态时哪个力会为零,物体的加速度方向如何,然后应用牛顿第二定律求解.
【典例2】如图,在光滑水平面上有一质量为m1的足够长的木板,其上叠放一质量为m2的木块。
假定木块和木板之间的最大静摩擦力和滑动摩擦力相等。
现给木块施加一随时间t增大的水平力F=kt(k是常数),木板和木块加速度的大小分别为a1和a2,下列反映a1和a2变化的图线中正确的是
诱导启思:
?
临界状态前后两物体受力有何变化?
‚临界状态前后两物体受力有何特点?
【答案】A
【解析】当F比较小时,两个物体相对静止,加速度相同,根据牛顿第二定律得:
a==,a∝t;
当F比较大时,m2相对于m1运动,根据牛顿第二定律得:
对m1:
a1=,μ、m1、m2都一定,则a1一定.
对m2:
a2===t﹣μg,a2是t的线性函数,t增大,a2增大.
由于,则两木板相对滑动后a2图象大于两者相对静止时图象的斜率.故A正确.
【典例3】一根劲度系数为k,质量不计的轻弹簧,上端固定,下端系一质量为m的物体,有一水平板将物体托住,并使弹簧处于自然长度.如图所示.现让木板由静止开始以加速度a(a<g)匀加速向下移动.求经过多长时间木板开始与物体分离.
【答案】
本题关键分析物体刚分离时临界条件:
弹力为零.牛顿第二定律研究某一状态时物体的合力与加速度的关系,加速度是联系合力和运动的桥梁.
【总结提升】:
当物体的运动从一种状态转变为另一种状态时必然有一个转折点,这个转折点所对应的状态叫做临界状态;在临界状态时必须满足的条件叫做临界条件、用变化的观点正确分析物体的受力情况、运动状态变化情况,同时抓住满足临界值的条件是求解此类问题的关键。
临界或极值条件的标志:
一般题目中会出现刚好、正好、恰好、取值范围、最大、最小、至多、至少、出现这些词语表示存在临界情况
【专练提升】
1.如图所示,水平地面上的矩形箱子内有一倾角为θ的固定斜面,斜面上放一质量为m的光滑球。
静止时,箱子顶部与球接触但无压力。
箱子由静止开始向右做匀加速运动,然后改做加速度大小为a的匀减速运动直至静止,经过的总路程为s,运动过程中的最大速度为v。
(1)求箱子加速阶段的加速度大小a′;
(2)若a>gtanθ,求减速阶段球受到箱子左壁和顶部的作用力。
【答案】
(1)
(2)0m(-g)
【解析】
(1)由匀变速直线运动的公式有v2=2a′x1,v2=2ax2,且x1+x2=s
解得:
a′=
2.如图所示,一质量m=0.4kg的小物块,以V0=2m/s的初速度,在与斜面成某一夹角的拉力F作用下,沿斜面向上做匀加速运动,经t=2s的时间物块由A点运动到B点,A、B之间的距离L=10m。
已知斜面倾角θ=30o,物块与斜面之间的动摩擦因数。
重力加速度g取10m/s2.
(1)求物块加速度的大小及到达B点时速度的大小。
(2)拉力F与斜面的夹角多大时,拉力F最小?
拉力F的最小值是多少?
【答案】
(1)3m/s28m/s
(2)
平行斜面方向:
垂直斜面方向:
其中:
联立计算得出:
故当时,拉力F有最小值,为;
3.如图,质量的物体静止于水平地面的A处,A、B间距L=20m。
用大小为30N,沿水平方向的外力拉此物体,经拉至B处。
(已知,。
取)
(1)求物体与地面间的动摩擦因数μ;
(2)用大小为30N,与水平方向成37°的力斜向上拉此物体,使物体从A处由静止开始运动并能到达B处,求该力作用的最短时间t。
【答案】⑴0.5⑵1.03s
【解析】
(1)物体做匀加速运动
由可得
由牛顿第二定律有
故
∴
设F作用的最短时间为t,小车先以大小为a的加速度匀加速t秒,撤去外力后,以大小为a'的加速度匀减速t'秒到达B处,速度恰为0,由牛顿定律
由牛顿定律
∴
∵
4.如图所示,将质量m=1.24kg的圆环套在固定的水平直杆上,环的直径略大于杆的截面直径,环与杆的动摩擦因数为μ=0.8。
对环施加一位于竖直平面内斜向上与杆夹角θ=53°的恒定拉力F,使圆环从静止开始做匀加速直线运动,第1s内前进了2m。
(取g=10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6)求:
(1)圆环加速度a的大小;
(2)拉力F的大小。
【答案】
(1)4m/s2
(2)12N或124N
计算得出:
5如图所示,小车内有一光滑的斜面,当小车在水平轨道上向左做匀变速直线运动时,质量为m小物块恰好能与斜面保持静止,斜面的倾角为,重力加速度为g,则下列说法正确的()
A小车的加速度
B小车的加速度
C斜面对物块的支持力
D斜面对物块的支持力
【答案】AD
6、如图所示,小车内有一质量为的物块,一轻弹簧与小车和物块相连,处于压缩状态且在弹性限度内。
弹簧的劲度系数为,形变量为,物块和车之间动摩擦因数为。
设最大静摩擦力等于滑动摩擦力、运动过程中,物块和小车始终保持相对静止。
下列说法正确的是()。
A:
若小于,则车的加速度方向一定向左
B:
若小于,则车的加速度的最小值为,且车只能向左加速运动
C:
若大于,则车的加速度方向可以向左也可以向右
D:
若大于,则加速度的最大值为,加速度的最小值为
【答案】AC
【解析】:
A项,若小于,对物块受力分析可知,无论物块所受的摩擦力向左、向右或是为零,
7倾角的光滑斜面上并排放着质量分别是和的A、B两物块,劲度系数的轻弹簧一端与物块B相连,另一端与固定挡板相连,整个系统处于静止状态,现对A施加一沿斜面向上的力F,使物块A沿斜面向上作匀加速运动,已知力F在前内为变力,后为恒力,g取,求F的最大值和最小值.
【答案】F的最大值为,最小值为
【解析】设刚开始时弹簧压缩量为,则①
因为在前时间内,F为变力,以后,F为恒力,所以在时,B对A的作用力为0,
由牛顿第二定律知:
②
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- 18 学年 物理 力学 专题 提升 09 牛顿 运动 定律 应用 临界 极值 问题