高一物理常见临界问题

高一物理常见的临界问题•当物体由一种物理状态变为另一种物理状态时，可能存在一个过渡的转折点，这时物体所处的状态通常称为临界状态，与之相关的物理条件则称为临界条件。•解答临界问题的关键是找临界条件。•许多临界问题，题目中常常出现“刚好”、“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脱离”……等词语对临界状态给出了明确的暗示，审题时，一定要抓住这些特定的词语发掘其内含规律，找出临界条件。•有时，有些临界问题中并不明显含上述常见的“临界术语”，但审题时发现某个物理量在变化过程中会发生突变，则该物理量突变时物体所处的状态即为临界状态•临界问题通常具有一定的隐蔽性，解题灵活性较大，审题时应力求准确把握题目的物理情景，抓住临界状态的特征，找到正确的解题方向。高中物理常见的临界问题类型：•1.追击问题的临界条件（相遇、最远、最近）•2.力的合成与分解问题•3.两个物体分离的临界条件（与固定物体分离或者两个运动物体分离）•4.竖直平面内的圆周运动过最高点的条件（重力场或者复合场）•5.绳子和弹簧所涉及的临界条件（断与否，有或无，分离与否）•6.靠摩擦力连接的物体间不发生相对滑动的临界条件临界状态是两个关联过程、关联状态的过渡状态,是旧事物的某一方面量变的终止点,新事物某一方面量变的起始点.因此它总与新旧事物保持着千丝万缕的联系,往往兼有新旧事物的特性,所以在处理临界问题时,我们既可以从旧事物或新事物着手,找出与问题密切相关的某一变量的变化规律,分别代人其量变终止值、量变开始值求解,也可以直接从临界状态人手,利用事物在临界状态具有的新旧事物的共有特征求解处理临界问题的常用方法：1.直接分析、讨论临界状态和相应的临界值，求解出所研究问题的规律和解.2.极限法、假设法、数学分析法（包括解析法、几何分析法等）、图象法等典型例题一.运动学中的临界问题在讨论追击，相遇的问题上，其实质是讨论两物体在相同时间内能否到达相同的空间位置问题（1）两个关系：即时间关系和位移关系，这两个关系可通过画草图得到（2)一个条件：即两者速度相等，它往往是物体间能否追上，追不上（两者）距离最大，最小的临界条件，也是分析判断切入点。例题1．一辆值勤的警车停在公路边．当警员发现从他旁边以v0＝8m/s的速度匀速行驶的货车有违章行为时，决定前去追赶．经2.5s，警车发动起来，以加速度a＝2m/s2做匀加速运动，试问：(1)警车要多长时间才能追上违章的货车？(2)在警车追上货车之前，两车间的最大距离是多大？解析：利用速度相等这一临界条件求解，警车和货车速度相等时相距最远．v警＝at，v货＝v0，由v警＝v货得at1＝v0即相距最远时警车所用的时间为t1＝v0a＝82s＝4s此时货车和警车前进的距离分别为x货＝v0(t0＋t1)＝8×(2.5＋4)m＝52mx警＝12at12＝12×2×42m＝16m例题2.甲车以10m/s的速度在平直的公路上匀速行驶，乙车以4m/s的速度与甲车平行同向做匀速直线运动，甲车经过乙车旁边开始以0.5m/s2的加速度刹车，从甲车刹车开始计时，求：(1)乙车在追上甲车前，两车相距的最大距离；(2)乙车追上甲车所用的时间．分析：在运动过程中，运用位移关系和时间关系列方程，并结合运动学公式求解，注意两车相距最大距离以及乙车追上甲车时的临界条件．[解析](1)当甲车速度减至等于乙车速度时两车的距离最大，设该减速过程经过的时间为t，则v乙＝v甲－at解得：t＝12s，此时甲、乙间距离为Δx＝v甲t－12at2－v乙t＝10×12m－12×0.5×122m－4×12m＝36m.(2)由一般解法得：v甲t－12at2＝v乙t解得t＝24s要考虑甲车减速到零所需时间为t1，则有：t1＝v甲a＝20s.而t＝24st1＝20s所以甲车先停下来t1时间内，x甲＝v甲2t1＝102×20m＝100m，x乙＝v乙t1＝4×20m＝80m.此后乙车运动时间t2＝x甲－x乙v乙＝204s＝5s故乙车追上甲车需t1＋t2＝25s.•归纳：总结在用匀变速直线运动规律解答有关追及、相遇问题时，一般应根据两个物体的运动性质，结合运动学公式列出两个物体的位移方程．同时要紧紧抓住追及、相遇的一些临界条件，如：•(1)当速度较小的物体匀加速追速度较大的物体时，在两物体速度相等时两物体间距离最大•(2)当速度较大的物体匀减速追速度较小的物体时，在两物体速度相等时两物体间的距离最小．•(3)若被追赶的物体做匀减速运动，一定要注意追上前该物体是否已停止运动.例3.甲火车以4m/s的速度匀速前进，这时乙火车误入同一轨道，且以20m/s的速度追向甲车.当乙车司机发现甲车时两车仅相距125m，乙车立即制动，已知以这种速度前进的火车制动后需经过200m才能停止，问两车是否发生碰撞?•在追碰问题中，两车最容易相撞的时刻应是两车速度相等即V乙=V甲，而不是V乙=0，这是本题的临界条件二.力学中的临界问题•力学中的平衡问题涉及到平衡和运动等具体问题平衡问题的临界状态是指物体的所处的平衡状态将要被破坏而尚未被破坏的状态。解决这类问题的基本方法是假设推理法。临界问题往往是和极值问题联系在一起的。解决此类问题重在形成清晰的物理图景，分析清楚物理过程，从而找出临界条件或达到极值条件。解此类问题要特别注意可能出现的多种情况。例题4.物体A的质量为2kg，两根轻细绳b和c的一端连接于竖直墙上，另一端系于物体A上，在物体A上另施加一个方向与水平线成θ角的拉力F，相关几何关系如图所示，θ＝60°.若要使两绳都能伸直，求拉力F的大小范围．(g取10m/s2)分析本题可以利用解析法和正交分解法进行分析，通过列出的平衡方程求出绳b和绳c的拉力表达式，若要使两绳都伸直，则必须保证两绳的拉力都大于或等于零，进而求出F的极值．[解析]作出物体A的受力分析图如图所示，由平衡条件得Fsinθ＋F1sinθ－mg＝0①Fcosθ－F2－F1cosθ＝0②由①式得F＝mgsinθ－F1③由②③式得F＝mg2sinθ＋F22cosθ④要使两绳都伸直，则有F1≥0，F2≥0所以由③式得Fmax＝mgsinθ＝4033N由④式得Fmin＝mg2sinθ＝2033N综合得F的取值范围为2033N≤F≤4033N.解决临界问题，必须在变化中去寻找临界条件，即不能停留在一个状态来研究临界问题，而是要通过研究变化的过程、变化的物理量来确定.•其它解法：采用极限法：F较大时，拉力Fb=0,F较小时,Fc=0.列方程求解例5、倾角为度的斜面上放置一个重的物体，物体与斜面间的动摩擦因数为，要使物体恰好能沿斜面向上匀速运动，所加的力至少为多大？方向如何？NfmgxFα分析；由于施力的方向没定，先假定一个方向：与斜面成角向上，物体的受力分析所示。列出F的表达式求解例6．如图所示，在倾角为θ的粗糙斜面上，有一个质量为m的物体被水平力F推着静止于斜面上，已知物体与斜面间的动摩擦因数为μ，且μ＜tanθ，若物体恰好不滑动，则推力F为多少？(最大静摩擦力等于滑动摩擦力)分析：”恰好不滑动”是临界条件，静摩擦力达到最大值•在某些物理情境中，物体运动状态变化的过程中，由于条件的变化，会出现两种状态的衔接，两种现象的分界，同时使某个物理量在特定状态时，具有最大值或最小值。这类问题称为临界问题。在解决临界问题时，进行正确的受力分析和运动分析，找出临界状态是解题的关键•动力学的临界问题例7.如图所示，在倾角为θ的光滑斜面上端系一劲度系数为k的轻弹簧，弹簧下端连有一质量为m的小球，球被一垂直于斜面质量为M的挡板A挡住，此时弹簧没有形变.若手持挡板A以加速度a（a＜gsinθ）沿斜面匀加速下滑，求：（1）从挡板开始运动到球与挡板分离所经历时间；（2）从挡板开始运动到球速达到最大，球所经过的最小路程.•分析：（1）球与挡板脱离的临界条件：球与挡板的支持力等于零，二者速度相等，加速度相等，然后对球受力分析求出位移X，在运动学公式。（2）球速达到最大的临界条件：球合外力为零CθAB点击高考1：（2005年全国理综Ⅲ卷）如图所示，在倾角为θ的光滑斜面上有两个用轻质弹簧相连接的物块A、B，它们的质量分别为mA、mB，弹簧的劲度系数为k,C为一固定挡板。系统处一静止状态，现开始用一恒力F沿斜面方向拉物块A使之向上运动，求物块B刚要离开C时物块A的加速度a和从开始到此时物块A的位移d，重力加速度为g。F类题1:如图，A、B两个矩形木块用轻弹簧相接静止在水平地面上，弹簧的劲度系数为k，木块A和木块B的质量均为m．(1)若用力将木块A缓慢地竖直向上提起，木块A向上提起多大高度时，木块B将离开水平地面．(2)若弹簧的劲度系数k是未知的，将一物块C从A的正上方某位置处无初速释放与A相碰后，立即粘在一起(不再分离)向下运动，它们到达最低点后又向上运动．已知C的质量为m时，把它从距A高H处释放，则最终能使B刚好要离开地面．若C的质量为m/2，要使B始终不离开地面，则释放时，C距A的高度h不能超过多少?例8.一个质量为0.2kg的小球用细线吊在倾角θ=53°的斜面顶端，如图，斜面静止时，球紧靠在斜面上，绳与斜面平行，不计摩擦，当斜面以10m/s2的加速度向右做加速运动时，求绳的拉力及斜面对小球的弹力.分析：极限法，当加速度a较小时，小球与斜面体一起运动，此时小球受重力、绳拉力和斜面的支持力作用，绳平行于斜面，当加速度a足够大时，小球将“飞离”斜面，此时小球受重力和绳的拉力作用，绳与水平方向的夹角未知，题目中要求a=10m/s2时绳的拉力及斜面的支持力，必须先求出小球离开斜面的临界加速度a0.（此时临界条件，小球所受斜面支持力恰好为零）由mgcotθ=ma0所以a0=gcotθ=7.5m/s2因为a=10m/s2＞a0所以小球离开斜面N=0，小球受力情况如图，则Tcosα=ma，Tsinα=mg所以T==2.83N，N=0.变式训练、一光滑的圆锥体固定在水平桌面上，母线与轴线的夹角为，如图22所示，长为的轻绳一端固定在圆锥的顶点点，另一端拴一个质量为的小球（可看作质点），小球以速率绕圆锥的轴线做水平匀速圆周运动。•（1）当时，求绳子对小球的拉力。•（2）当时，求绳子对小球的拉力。/6vgl3/2vglO30例9.如图所示,火车车厢中有一个倾角为30°的斜面,当火车以10m/s2的加速度沿水平方向向左运动时,斜面上质量为m的物体A保持与车厢相对静止,求物体所受到的静摩擦力.(取g=10m/s2)•思路点拨：静摩擦力大小不好判断，可以采用假设法。假设静摩擦力沿斜面向下，对物体受力分析。•假设法是解物理问题的一种重要方法.用假设法解题,一般依题意从某一假设入手,然后用物理规律得出结果,再进行适当的讨论,从而得出正确答案.变式训练.如图所示，mA=1kmB=2kg，A、B间静摩擦力的最大值是5N，水平面光滑。用水平力F拉B，当拉力大小分别是F=10N和F=20N时，A、B的加速度各多大？AFB分析：A.B物体间不发生相对滑动F的最大值，A向前运动靠静摩擦力提供最大加速度点击高考2：（2011天津卷2）如图所示，A、B两物块叠放在一起，在粗糙的水平面上保持相对静止地向右做匀减速直线运动，运动过程中B受到的摩擦力（）A．方向向左，大小不变B．方向向左，逐渐减小C．方向向右，大小不变D．方向向右，逐渐减小例10.如图所示，质量均为M的两个木块A、B在水平力F的作用下，一起沿光滑的水平面运动，A与B的接触面光滑，且与水平面的夹角为60°，求使A与B一起运动时的水平力F的范围。AB﹚60°F解析：当水平推力F很小时，A与B一起作匀加速运动，当F较大时，B对A的弹力竖直向上的分力等于A的重力时，地面对A的支持力为零，此后，物体A将会相对B滑动。临界条件就是水平力F为某一值时，恰好使A沿AB面向上滑动，即物体A对地面的压力恰好为零，受力分析如图﹚60°FGN图2—2