突破5 平衡中的临界与极值问题-2019高三物理一轮微专题系列之热点专题突破

突破5 平衡中的临界与极值问题-2019高三物理一轮微专题系列之热点专题突破

突破 5 平衡中的临界与极值问题 1．临界问题 当某物理量变化时，会引起其他几个物理量的变化，从而使物体所处的平衡状态“恰好 出现”或“恰好不出现”，在问题的描述中常用“刚好”、“刚能”、“恰好”等语言叙述． 常见的临界状态有： (1)两接触物体脱离与不脱离的临界条件是相互作用力为 0(主要体现为两物体间的弹力 为 0)； (2)绳子断与不断的临界条件为绳中张力达到最大值；绳子绷紧与松弛的临界条件为绳 中张力为 0； (3)存在摩擦力作用的两物体间发生相对滑动或相对静止的临界条件为静摩擦力达到最 大。 突破临界问题的三种方法 (1)【解析】法 根据物体的平衡条件列方程，在解方程时采用数学知识求极值。通常用到的数学知识有 二次函数求极值、讨论分式求极值、三角函数求极值以及几何法求极值等。 (2)图解法 根据平衡条件作出力的矢量图，如只受三个力，则这三个力构成封闭矢量三角形，然后 根据矢量图进行动态分析，确定最大值和最小值。 (3)极限法 极限法是一种处理临界问题的有效方法，它是指通过恰当选取某个变化的物理量将问题 推向极端(“极大”、“极小”、“极右”、“极左”等)，从而把比较隐蔽的临界现象暴露出来，使 问题明朗化，便于分析求解。 2．极值问题 平衡物体的极值，一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题．一般用图解法或【解 析】法进行分析． 处理极值问题的两种基本方法 (1)【解析】法：根据物体的平衡条件列方程，通过数学知识求极值的方法．此法思维 严谨，但有时运算量比较大，相对来说较复杂，而且还要依据物理情境进行合理的分析讨论． (2)图解法：根据物体的平衡条件作出力的矢量三角形，然后由图进行动态分析，确定 极值的方法．此法简便、直观． 【典例 1】 倾角为θ＝37°的斜面与水平面保持静止，斜面上有一重为 G的物体 A，物 体 A与斜面间的动摩擦因数μ＝0.5。现给 A施加一水平力 F，如图所示。设最大静摩擦力与 滑动摩擦力相等(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)，如果物体 A能在斜面上静止，水平推力 F与 G 的比值不可能是( ) A.3 B.2 C.1 D.0.5 【答案】 A 【典例 2】如图所示，一球 A 夹在竖直墙与三角劈 B 的斜面之间，三角形劈的重力为 G， 劈的底部与水平地面间的动摩擦因数为μ，劈的斜面与竖直墙面是光滑的，问欲使三角劈静 止不动，球的重力不能超过多大？(设劈的最大静摩擦力等于滑动摩擦力) 【答案】：球的重力不得超过 G 【解析】 用正交分解法，对球和三角劈分别进行受力分析，如图甲、乙所示． 由于三角劈静止，故其受地面的静摩擦力． F≤Fmax＝μFNB.由平衡条件有： 1对球有：GA＝FNcos 45°① FNA＝FNsin 45°② 2对三角劈有 FNB＝G＋FN′sin 45°③ F＝FN′cos 45°④ F≤μFNB，⑤ ∵FN＝FN′⑥ 由①～⑥式解得：GA≤ G. 【跟踪短训】 1. 将两个质量均为 m的小球 a、b用细线相连后，再用细线悬挂于 O点，如图所示。 用力 F拉小球 b，使两个小球都处于静止状态，且细线 OA与竖直方向的夹角保持θ＝30°， 则 F的最小值为( ) A. 3 3mg B.mg C. 3 2mg D. 1 2mg 【答案】 B 【解析】 以 a、b为整体，整体受重力 2mg、悬绳 OA的拉力 FT及拉力 F三个力而平 衡，如图所示， 三力构成的矢量三角形中，当力 F垂直于悬绳拉力 FT时有最小值，且最小值 F＝2mgsin θ＝mg，B项正确。 2. 如图所示，轻质弹簧一端系在质量为 m＝1 kg的小物块上，另一端固定在墙上。物 块在斜面上静止时，弹簧与竖直方向的夹角为 37°，已知斜面倾角θ＝37°，斜面与小物块间 的动摩擦因数μ＝0.5，斜面固定不动。设物块与斜面间的最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相 等，下列说法正确的是( ) A.小物块可能只受三个力 B.弹簧弹力大小一定等于 4 N C.弹簧弹力大小不可能等于 3 N D.斜面对物块支持力可能为零 【答案】 C 3. 如图示，质量均为 m的小球 A、B用两根不可伸长的轻绳连接后悬挂于 O点，在外 力 F的作用下，小球 A、B处于静止状态．若要使两小球处于静止状态且悬线 OA与竖直方 向的夹角θ保持 30°不变，则外力 F的大小( )． A．可能为 3 3mg B．可能为 5 2mg C．可能为 mg D．可能为 mg 【答案】 BCD 【解析】 取 A、B两球为一整体，质量为 2m，悬线 OA与竖直方向夹角为 30°， 由图可以看出，外力 F与悬线 OA垂直时为最小，Fmin＝2mgsin θ＝mg，所以外力 F应 大于或等于 mg，选项 B、C、D均正确．