4.7牛顿运动定律的应用(第1课时)-临界问题

学习目标•1，知道什么是临界问题。掌握求解临界问题的一般思路与方法•2，进一步熟悉利用牛顿第二定律解题的一般思路与方法牛顿第二定律的应用------临界问题临界状态：物体由某种物理状态变化为另一种物理状态时，中间发生质的飞跃的转折状态，通常称之为临界状态。在物体的运动状态变化的过程中，相关的一些物理量也随之发生变化。当物体的运动变化到某个特定状态时，有关的物理量将发生突变，该物理量的值叫临界值，这个特定状态称之为临界状态。临界状态是发生量变和质变的转折点。在动力学问题中出现的“最大”“最小”“刚好”“恰能”等词语，一般都暗示了临界状态的出现，隐含了相应的临界条件。临界问题：涉及临界状态的问题叫做临界问题。临界问题常见临界条件归纳临界情况临界条件速度达到最大物体所受合外力为零刚好不相撞两物体最终速度相等或者接触时速度相等刚好不分离两物体仍然接触、弹力为零原来一起运动的两物体分离时不只弹力为零且速度和加速度相等运动到某一极端位置物体滑到小车一端时与小车的速度刚好相等物体刚好滑出（滑不出）小车刚好运动到某一点（“最高点”）到达该点时速度为零两个物体距离最近（远）速度相等动与静的分界点刚好不上（下）滑；保持物体静止在斜面上的最小水平推力；拉动物体的最小力静摩擦力为最大静摩擦力，物体平衡关于绳的临界问题绳刚好被拉直绳上拉力为零绳刚好被拉断绳上的张力等于绳能承受的最大拉力在水平向右运动的小车上，有一倾角θ=370的光滑斜面，质量为m的小球被平行于斜面的细绳系住而静止于斜面上，如图所示。当小车以⑴a1=g,⑵a2=2g的加速度水平向右运动时，绳对小球的拉力及斜面对小球的弹力各为多大？θa例题分析解：GFNF易见：支持力FN随加速度a的增大而减小当a=gcotθ=4g/3时，支持力FN=0小球即将脱离斜面则沿x轴方向Fcosθ-FNsinθ=ma沿y轴方向Fsinθ+FNcosθ=mgθ取小球为研究对象并受力分析，建立正交坐标系将a1=g、a2=2g分别代入得a1=g时：F=7mg/5；FN=mg/5a2=2g时：F=11mg/5；FN=-2mg/5a例题分析例题分析支持力FN随加速度a的增大而减小当a=gcotθ=4g/3时，支持力FN=0小球即将脱离斜面当小车加速度a4g/3时，小球已飘离斜面，如图所示得22gamFGFmaθa5将a=a2=2g代入得F=mg【小结】相互接触的两个物体将要脱离的临界条件是相互作用的弹力刚好为零。例题分析5.如图所示,倾角为α的光滑斜面体上有一个小球m被平行于斜面的细绳系于斜面上,斜面体放在水平面上.(1)要使小球对斜面无压力,求斜面体运动的加速度范围,并说明其方向.(2)要使小球对细绳无拉力,求斜面体运动的加速度范围,并说明其方向.(3)若已知α=60°,m=2kg,当斜面体以a=10m/s2向右做匀加速运动时,绳对小球拉力多大?(g取10m/s2)讲练结合解析为确定小球对斜面无压力或对细绳无拉力时斜面体的加速度,应先考虑小球对斜面或细绳的弹力刚好为零时的受力情况,再求出相应加速度.取小球、细绳和斜面体这个整体为研究对象,分析整体的受力情况,再确定斜面体的加速度范围.(1)球对斜面刚好无压力时,细绳与斜面平行,小球只受重力mg和细绳拉力T的作用,如右图所示.正交分解T,由牛顿第二定律得Tsinα-mg=0Tcosα=ma0解出a0=g·cotα所以在斜面向右运动的加速度a≥a0=g·cotα时,小球对斜面无压力.拓展：上述问题中，若小车向左加速运动，试求加速度a=g时的绳中张力。θaFNGF简析：xy则沿x轴方向FNsinθ-Fcosθ=ma沿y轴方向FNcosθ+Fsinθ=mg将a=g代入得F=－0.2mgFN=1.4mg例题分析例题分析拓展：上述问题中，若小车向左加速运动，试求加速度a=g时的绳中张力。θaFNGF简析：xy则沿x轴方向FNsinθ-Fcosθ=ma沿y轴方向FNcosθ+Fsinθ=mg将a=g代入得F=－0.2mgFN=1.4mg例题分析F的负号表示绳已松弛，故F=0此时a=gtanθ=3g/4而a=g，故绳已松弛，绳上拉力为零[小结]绳子松弛的临界条件是：绳中拉力刚好为零。5.如图所示,倾角为α的光滑斜面体上有一个小球m被平行于斜面的细绳系于斜面上,斜面体放在水平面上.(1)要使小球对斜面无压力,求斜面体运动的加速度范围,并说明其方向.(2)要使小球对细绳无拉力,求斜面体运动的加速度范围,并说明其方向.(3)若已知α=60°,m=2kg,当斜面体以a=10m/s2向右做匀加速运动时,绳对小球拉力多大?(g取10m/s2)讲练结合(2)当球对细绳刚好无拉力时,小球只受重力mg和斜面支持力N,如右图所示.正交分解N后,可知N的竖直分力与重力平衡,N的水平分力使m向左加速运动.N·cosα=mgN·sinα=ma0解出a0=g·tanα所以在球对细绳无拉力作用时,若要使球与斜面体以相同的加速度运动,则斜面体必须以a=a0=g·tanα向左加速运动;如果斜面体向左运动的加速度a＞a0,则小球会相对斜面向右上方滑动,但要注意,若球能滑到细绳悬点上方,细绳会对球再次产生拉力作用.(3)由(1)可知,球对斜面恰好无压力时,a0=g·cot60°=×10m/s2,而题设条件a=10m/s2＞a0,因此,这时小球对斜面无压力,且球飞离斜面,如右图所示.将细绳拉力T正交分解得Tsinθ-mg=0Tcosθ=ma解出小球所受细绳拉力T=mg=20N,拉力方向与水平方向夹角θ=45°.答案(1)a≥gcotα方向向右(2)a=gtanα方向向左(3)20N,与水平方向成45°角33222返回解决临界问题的基本思路（1）认真审题，仔细分析研究对象所经历的变化的物理过程，找出临界状态。（2）寻找变化过程中相应物理量的变化规律，找出临界条件。（3）以临界条件为突破口，列临界方程，求解问题。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。练习AB﹚60°F分析：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。显而易见，本题的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.解：当水平力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，受力分析如图对整体：①隔离A：②③④联立上式解得：∴水平力F的范围是：0＜F≤MaF20ANMaNF60sin060cosMgNMgF32Mg32﹚60°FGNA、B两个滑块靠在一起放在光滑水平面上，其质量分别为2m和m,从t=0时刻起，水平力F1和F2同时分别作用在滑块A和B上，如图所示。已知F1=（10+4t）N,F2=(40-4t)N,两力作用在同一直线上，求滑块开始滑动后，经过多长时间A、B发生分离？ABF2F1练习解：由题意分析可得两物体分离的临界条件是：两物体之间刚好无相互作用的弹力，且此时两物体仍具有相同的加速度。分别以A、B为研究对象，水平方向受力分析如图由牛顿第二定律得F1=maF2=2ma则F2=2F1即(40-4t)=2(10+4t）解得t=5/3(s)BBF1BAF2aa练习有一质量M=4kg的小车置于光滑水平桌面上，在小车上放一质量m=6kg的物块，动摩擦因素µ=0.2,现对物块施加F=25N的水平拉力,如图所示，求小车的加速度？（设车与物块之间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力且g取10m/s2)则两者保持相对静止的最大加速度为am=fm/M=µmg/M=3m/s2FmM解：当木块与小车之间的摩擦力达最大静摩擦力时，对小车水平方向受力分析如图Mfm练习再取整体为研究对象受力如图mM而F=25NFm木块与小车保持相对静止得：Fm=(M+m)am=30N故系统的加速度a=F/(M+m)=2.5m/s2Fm练习小结：存在静摩擦的连接系统，当系统外力大于最大静摩擦力时，物体间不一定有相对滑动。相对滑动与相对静止的临界条件是：静摩擦力达最大值常见临界条件归纳临界情况临界条件速度达到最大物体所受合外力为零刚好不相撞两物体最终速度相等或者接触时速度相等刚好不分离两物体仍然接触、弹力为零原来一起运动的两物体分离时不只弹力为零且速度和加速度相等运动到某一极端位置物体滑到小车一端时与小车的速度刚好相等物体刚好滑出（滑不出）小车刚好运动到某一点（“最高点”）到达该点时速度为零两个物体距离最近（远）速度相等动与静的分界点刚好不上（下）滑；保持物体静止在斜面上的最小水平推力；拉动物体的最小力静摩擦力为最大静摩擦力，物体平衡关于绳的临界问题绳刚好被拉直绳上拉力为零绳刚好被拉断绳上的张力等于绳能承受的最大拉力三类临界问题的临界条件（1）相互接触的两个物体将要脱离的临界条件是：（2）绳子松弛的临界条件是：（3）存在静摩擦的连接系统，当系统外力大于最大静摩擦力时，物体间不一定有相对滑动，相对滑动与相对静止的临界条件是：课堂总结相互作用的弹力为零绳中拉力为零静摩擦力达最大值（1）认真审题，仔细分析研究对象所经历的变化的物理过程，找出临界状态。（2）寻找变化过程中相应物理量的变化规律，找出临界条件。（3）以临界条件为突破口，列临界方程，求解问题。解决临界问题的基本思路课堂总结作业课时作业