高中物理中的临界与极值问题

动力学中的临界和极值问题一、动力学中的临界极值问题1．“四种”典型临界条件(1)接触与脱离的临界条件：两物体相接触或脱离，临界条件是弹力F N＝0。

(2)相对滑动的临界条件：两物体相接触且处于相对静止时，常存在着静摩擦力，则相对滑动的临界条件是静摩擦力达到最大值。

(3)绳子断裂与松弛的临界条件：绳子所能承受的张力是有限度的，绳子断与不断的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力，绳子松弛与拉紧的临界条件是F T＝0。

(4)速度达到最值的临界条件：加速度为0。

2. 解题指导（1）直接接触的连接体存在“要分离还没分”的临界状态，其动力学特征：“貌合神离”，即a相同、F N＝0.（2）靠静摩擦力连接(带动)的连接体，静摩擦力达到最大静摩擦力时是“要滑还没滑”的临界状态.（3）极限分析法：把题中条件推向极大或极小，找到临界状态，分析临界状态的受力特点，列出方程（4）数学分析法：将物理过程用数学表达式表示，由数学方法(如二次函数、不等式、三角函数等)求极值．3.解题基本思路(1)认真审题，详细分析问题中变化的过程(包括分析整个过程中有几个阶段)；(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．4. 解题方法二、针对练习1、（多选）如图所示，长木板放置在水平面上，一小物块置于长木板的中央，长木板和物块的质量均为m ，物块与木板间的动摩擦因数为μ，木板与水平面间的动摩擦因数为4μ，已知最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，重力加速度为g ．现对物块施加一水平向右的拉力，则木板加速度a 大小可能是（ ）A ．0a =B ．4ga μ=C ．3g a μ=D ．23ga μ=2、（多选）如图所示，A 、B 两物块的质量分别为2m 和m ，静止叠放在水平地面上．A 、B 间的动摩擦因数为μ，B 与地面间的动摩擦因数为12μ.最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g .现对A 施加一水平拉力F ，则( ) A ．当F <2μmg 时，A 、B 都相对地面静止 B ．当F ＝52μmg 时，A 的加速度为13μgC ．当F >3μmg 时，A 相对B 滑动D ．无论F 为何值，B 的加速度不会超过12μg3、如图所示，木块A 、B 静止叠放在光滑水平面上，A 的质量为m ，B 的质量为2m 。

高中物理-动力学中的临界和极值问题在应用牛顿运动定律解决动力学问题时，会出现一些临界或极值条件的标志： 1．若题目中出现“恰好”“刚好”等字眼，明显表示过程中存在临界点．2．若题目中有“取值范围”“多长时间”“多大距离”等词语，表明过程中存在着“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，表明过程中存在着极值，而极值点往往是临界点．4．若题目要求“最终加速度”“稳定加速度”等即是求收尾加速度或收尾速度． 一、接触与分离的临界条件物体分离的临界条件是相互作用力由原来的不为零变为零．因此解答此类问题，应该对原状态下研究对象的受力和运动状态进行分析，由牛顿第二定律或平衡条件列方程，令其中相互作用的弹力为零解得临界状态的加速度，以临界加速度为依据分析各种状态下物体的受力情况及运动状态的变化．质量为m 、半径为R 的小球用长度也为R 的轻质细线悬挂在小车车厢水平顶部的A 点，现观察到小球与车顶有接触，重力加速度为g ，则下列判断正确的是( )A ．小车正向右做减速运动，加速度大小可能为3gB ．小车正向左做减速运动，加速度大小可能为33gC ．若小车向右的加速度大小为23g ，则车厢顶部对小球的弹力为mgD ．若细线张力减小，则小球一定离开车厢顶部 [解析] 如图所示，小球恰好与车顶接触的临界状态是车顶对小球的弹力恰为零，故临界加速度a 0＝g tan θ，由线长等于小球半径可得，θ＝60°，a 0＝3g .小球与车顶接触时，小车具有向右的加速度，加速度大小a ≥3g ，A 、B 项错；当小车向右的加速度大小a ＝23g 时，ma F N ＋mg＝tan θ，解得F N ＝mg ，C 项正确；细线张力F T ＝ma sin θ，小球与车顶接触的临界(最小)值F Tmin ＝2mg ，当张力的初始值F T >2mg 时，张力减小时只要仍大于或等于临界值，小球就不会离开车厢顶部，D 项错误．[答案] C二、绳子断裂与松弛的临界条件绳子所能承受的张力是有限的，绳子断与不断的临界条件是绳中张力等于它所能承受的最大张力，绳子松弛的临界条件是F T ＝0.如图所示，小车内固定一个倾角为θ＝37°的光滑斜面，用一根平行于斜面的细线系住一个质量为m ＝2 kg 的小球，取g ＝10 m/s 2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，则：(1)当小车以a 1＝5 m/s 2的加速度向右匀加速运动时，细线上的拉力为多大？(2)当小车以a 2＝20 m/s 2的加速度向右匀加速运动时，细线上的拉力为多大？[解析] 本题中存在一个临界状态，即小球刚好脱离斜面的状态，设此时加速度为a 0，对小球受力分析如图甲所示．将细线拉力分解为水平x 方向和竖直y 方向两个分力，则得到F cos θ＝ma 0 F sin θ－mg ＝0a 0＝g tan θ＝403m/s 2.(1)a 1＝5 m/s 2<a 0，这时小球没有脱离斜面，对小球受力分析如图乙所示，由牛顿第二定律得 F cos θ－F N sin θ＝ma 1 F sin θ＋F N cos θ－mg ＝0 解得F ＝20 N ，F N ＝10 N.(2)a2＝20 m/s2>a0，这时小球脱离斜面，设此时细线与水平方向之间的夹角为α，对小球受力分析如图丙所示，由牛顿第二定律得F cos α＝ma2F sin α＝mg两式平方后相加得F2＝(ma2)2＋(mg)2解得F＝(ma2)2＋(mg)2＝20 5 N.[答案](1)20 N(2)20 5 N三、相对滑动的临界条件两物体相接触且处于相对静止时，常存在着静摩擦力，则相对滑动的临界条件是：静摩擦力达到最大值，并且还要考虑摩擦力方向的多样性．(多选)如图所示，小车内有一质量为m的物块，一轻质弹簧两端与小车和物块相连，处于压缩状态且在弹性限度内，弹簧的劲度系数为k，形变量为x，物块和小车之间的动摩擦因数为μ，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，则下列说法正确的是()A．若μmg小于kx，则小车的加速度方向一定向左B．若μmg小于kx，则小车的加速度最小值为a＝kx－μmgm，且小车只能向左加速运动C．若μmg大于kx，则小车的加速度方向可以向左也可以向右D．若μmg大于kx，则小车的加速度最大值为kx＋μmgm，最小值为kx－μmgm[解析]若μmg小于kx，而弹簧又处于压缩状态，则物块所受弹簧弹力和静摩擦力的合力水平向左，即小车的加速度一定向左，A对；由牛顿第二定律得kx－F f＝ma，当F f＝μmg时，加速度方向向左且最小值为a min＝kx－μmgm，随着加速度的增加，F f减小到零后又反向增大，当再次出现F f＝μmg时，加速度方向向左达最大值a max ＝kx＋μmgm，但小车可向左加速，也可向右减速，B错；若μmg大于kx，则物块所受弹簧弹力和静摩擦力的合力(即加速度)可能水平向左，也可能水平向右，即小车的加速度方向可以向左也可以向右，C对；当物块的合外力水平向右时，加速度的最大值为μmg－kxm，物块的合外力水平向左时，加速度的最大值为μmg＋kxm，则小车的加速度最大值为kx＋μmgm，最小值为0，D错．[答案]AC四、加速度或速度最大的临界条件当物体在受到变化的外力作用下运动时，其加速度和速度都会不断变化，当所受合外力最大时，具有最大加速度；合外力最小时，具有最小加速度．当出现加速度有最大值或最小值的临界条件时，物体处于临界状态，所对应的速度便会出现最大值或最小值．(多选)(2016·潍坊模拟)如图所示，一个质量为m 的圆环套在一根固定的水平长直杆上，环与杆的动摩擦因数为μ，现给环一个水平向右的恒力F ，使圆环由静止开始运动，同时对环施加一个竖直向上、大小随速度变化的作用力F 1＝kv ，其中k 为常数，则圆环运动过程中( )A ．最大加速度为FmB ．最大加速度为F ＋μmgmC ．最大速度为F ＋μmgμkD ．最大速度为mgk[解析] 当F 1<mg 时，由牛顿第二定律得F －μ(mg －kv )＝ma ，当v ＝mg k 时，圆环的加速度最大，即a max ＝Fm ，选项A 正确，B 错误；圆环速度逐渐增大，F 1＝kv >mg ，由牛顿第二定律得F －μ(kv －mg )＝ma ，当a ＝0时，圆环的速度最大，即v max ＝F ＋μmgμk，选项C 正确，D 错误． [答案] AC五、数学推导中的极值问题将物理过程通过数学公式表达出来，根据数学表达式解出临界条件，通常用到三角函数关系．如图所示，一质量m ＝0.4 kg 的小物块，以v 0＝2 m/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 ＝2 s 的时间物块由A 点运动到B 点，A 、B 之间的距离L ＝10 m ．已知斜面倾角θ＝30°，物块与斜面之间的动摩擦因数μ＝33.重力加速度g 取10 m/s 2. (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？[解析] (1)设物块加速度的大小为a ，到达B 点时速度的大小为v ，由运动学公式得： L ＝v 0t ＋12at 2①v ＝v 0＋at ②联立①②式，代入数据解得：a ＝3 m/s 2，v ＝8 m/s.(2)设物块所受支持力为F N ，所受摩擦力为F f ，拉力与斜面之间的夹角为α，受力分析如图所示，由牛顿第二定律得：F cos α－mg sin θ－F f ＝ma ③F sin α＋F N －mg cos θ＝0④ 又F f ＝μF N ⑤联立③④⑤解得：F ＝mg (sin θ＋μcos θ)＋macos α＋μsin α⑥由数学知识得：cos α＋33sin α＝233sin(60°＋α)⑦ 由⑥⑦式可知对应的F 最小值与斜面的夹角α＝30°⑧ 联立⑥⑧式，代入数据得F 的最小值为： F min ＝1335N. [答案] (1)3 m/s 2 8 m/s (2)30°1335N 六、滑块一滑板模型中的临界问题在滑块—滑板模型中，若两者一起运动时优先考虑“被动”的“弱势”物体，该物体通常具有最大加速度，该加速度也为系统一起运动的最大加速度，否则两者将发生相对运动．(2016·湖北荆州模拟)物体A 的质量m 1＝1 kg ，静止在光滑水平面上的木板B 的质量为m 2＝0.5 kg 、长l ＝1 m ，某时刻A 以v 0＝4 m/s 的初速度滑上木板B 的上表面，为使A不至于从B 上滑落，在A 滑上B 的同时，给B 施加一个水平向右的拉力F ，若A 与B 之间的动摩擦因数μ＝0.2，试求拉力F 应满足的条件．(忽略物体A 的大小)[解析] 物体A 滑上木板B 以后，做匀减速运动， 加速度a A ＝μg ①木板B 做加速运动，有F ＋μm 1g ＝m 2a B ②物体A 不滑落的临界条件是A 到达B 的右端时，A 、B 具有共同的速度v t ，则v 20－v 2t 2a A ＝v 2t2a B＋l ③ 且v 0－v t a A ＝v ta B④ 由③④式，可得a B ＝v 202l－a A ＝6 m/s 2，代入②式得F ＝m 2a B －μm 1g ＝0.5×6 N －0.2×1×10 N ＝1 N ，若F ＜1 N ，则A 滑到B 的右端时，速度仍大于B 的速度，于是将从B 上滑落，所以F 必须大于等于1 N. 当F 较大时，在A 到达B 的右端之前，就与B 具有相同的速度，之后，A 必须相对B 静止，才能不会从B的左端滑落．即有：F ＝(m 1＋m 2)a ， μm 1g ＝m 1a ，所以F ＝3 N ，若F 大于3 N ，A 就会相对B 向左端滑下． 综上，力F 应满足的条件是1 N ≤F ≤3 N. [答案] 1 N ≤F ≤3 N1．(2016·西安质检)如图所示，将小砝码置于桌面上的薄纸板上，用水平向右的拉力将纸板迅速抽出，砝码的移动很小，几乎观察不到，这就是大家熟悉的惯性演示实验．若砝码和纸板的质量分别为2m和m，各接触面间的动摩擦因数均为μ.重力加速度为g.要使纸板相对砝码运动，所需拉力的大小至少应大于()A．3μmg B．4μmg C．5μmg D．6μmg解析：选D.纸板相对砝码恰好运动时，对纸板和砝码构成的系统，由牛顿第二定律可得：F－μ(2m＋m)g＝(2m ＋m)a，对砝码，由牛顿第二定律可得：2μmg＝2ma，联立可得：F＝6μmg，选项D正确．2．(多选)(2016·湖北黄冈模拟)如图甲所示，一轻质弹簧的下端固定在水平面上，上端放置一物体(物体与弹簧不连接)，初始时物体处于静止状态，现用竖直向上的拉力F作用在物体上，使物体开始向上做匀加速运动，拉力F与物体位移x的关系如图乙所示(g＝10 m/s2)，下列结论正确的是()A．物体与弹簧分离时，弹簧处于原长状态B．弹簧的劲度系数为750 N/mC．物体的质量为2 kgD．物体的加速度大小为5 m/s2解析：选ACD.物体与弹簧分离时，弹簧的弹力为零，轻弹簧无形变，所以选项A正确；从题图乙中可知ma ＝10 N，ma＝30 N－mg，解得物体的质量为m＝2 kg，物体的加速度大小为a＝5 m/s2，所以选项C、D正确；弹簧的劲度系数k＝mgx0＝200.04N/m＝500 N/m，所以选项B错误．3．(多选)如图所示，质量均为m的A、B两物块置于光滑水平地面上，A、B接触面光滑，倾角为θ，现分别以水平恒力F作用于A物块上，保持A、B相对静止共同运动，则下列说法中正确的是()A．采用甲方式比采用乙方式的最大加速度大B．两种情况下获取的最大加速度相同C．两种情况下所加的最大推力相同D．采用乙方式可用的最大推力大于甲方式的最大推力解析：选BC.甲方式中，F最大时，A刚要离开地面，A受力如图丙所示，则F N1cos θ＝mg①对B：F′N1sin θ＝ma1②由牛顿第三定律可知F′N1＝F N1③乙方式中，F 最大时，B 刚要离开地面，B 受力如图丁所示，则F N2cos θ＝mg ④ F N2sin θ＝ma 2⑤由①③④可知F N2＝F N1＝F N1′⑥由②⑤⑥式可得a 2＝a 1，对整体易知F 2＝F 1， 故选项B 、C 正确，选项A 、D 错误．4.如图所示，水平桌面光滑，A 、B 物体间的动摩擦因数为μ(可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，A 物体质量为2m ，B 和C 物体的质量均为m ，滑轮光滑，砝码盘中可以任意加减砝码．在保持A 、B 、C 三个物体相对静止共同向左运动的情况下，B 、C 间绳子所能达到的最大拉力是( )A.12μmg B ．μmg C ．2μmg D ．3μmg 解析：选B.因桌面光滑，当A 、B 、C 三者共同的加速度最大时，F BC ＝m C a 才能最大．这时，A 、B 间的相互作用力F AB 应是最大静摩擦力2μmg ，对B 、C 整体来讲：F AB ＝2μmg ＝(m B ＋m C )a ＝2ma ，a ＝μg ，所以F BC ＝m C a ＝μmg ，选项B 正确．5.如图所示，用细线将质量为m 的氢气球拴在车厢地板上的A 点，此时细线与水平方向成θ＝37°角，气球与固定在水平车顶上的压力传感器接触，小车静止时，细线恰好伸直但无弹力，压力传感器的示数为气球重力的12.重力加速度为g ，sin37°＝0.6，cos 37°＝0.8.现要保持细线方向不变而传感器示数为零，下列方法中可行的是( )A ．小车向右加速运动，加速度大小为12gB ．小车向左加速运动，加速度大小为12gC ．小车向右减速运动，加速度大小为23gD ．小车向左减速运动，加速度大小为23g解析：选C.小车静止时细线无弹力，气球受到重力mg 、空气浮力f 和车顶压力F N ，由平衡条件得f ＝mg ＋F N ＝32mg ，即浮力与重力的合力为12mg ，方向向上．要使传感器示数为零，则细线有拉力F T ，气球受力如图甲所示，由图乙可得12mg ma ＝tan 37°，小车加速度大小为a ＝23g ，方向向左．故小车可以向左做加速运动，也可以向右做减速运动，C 选项正确．6.如图所示，质量为m ＝1 kg 的物体，放在倾角θ＝37°的斜面上，已知物体与斜面间的动摩擦因数μ＝0.3，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取g ＝9.8 m/s 2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8.要使物体与斜面相对静止且一起沿水平方向向左做加速运动，则其加速度多大？解析：当物体恰不向下滑动时，受力分析如图甲所示 F N1sin 37°－F f1cos 37°＝ma 1F f1sin 37°＋F N1cos 37°＝mg F f1＝μF N1解得a 1＝3.6 m/s 2当物体恰不向上滑动时，受力分析如图乙所示F N2sin 37°＋F f2cos 37°＝ma2F N2cos 37°＝mg＋F f2sin 37°F f2＝μF N2解得a2＝13.3 m/s2因此加速度的取值范围为3.6 m/s2≤a≤13.3 m/s2.答案：3.6 m/s2≤a≤13.3 m/s2。

物理临界和极值问题总结
物理临界和极值问题是物理学中常见的一类问题，涉及到系统在特定条件下达到某种临界状态或取得极值的情况。

下面是对这两类问题的总结：
1. 物理临界问题：
- 物理临界指系统在某些参数达到临界值时出现突变或重要性质发生显著改变的情况。

- 临界问题常见于相变、相平衡和相变点等领域。

- 典型的物理临界问题包括：磁场的临界温度、压力、电流等；化学反应速率的临界浓度；相变时的临界温度和压力等。

2. 极值问题：
- 极值问题涉及到通过调整系统的参数找到使目标函数取得最大值或最小值的条件。

- 极值问题在物理学中广泛应用于优化、动力学和力学等领域。

- 典型的极值问题包括：能量最小原理和哈密顿原理，用于求解经典力学问题；费马原理，用于求解光路最短问题；鞍点问题，用于求解多元函数的极值等。

无论是物理临界还是极值问题，通常需要使用数学工具进行分析和求解。

对于物理临界问题，常用的方法包括热力学、统计物理和相变理论等；而对于极值问题，则常用的方法包括微积分、变分法和最优化等。

总结起来，物理临界和极值问题是物理学中重要的一类问题，涉及到系统在特定条件下达到临界状态或取得最值的情况。

这些问题需要使用数学工具进行分析和求解，以揭示系统的性质和寻找最优解。

在动力学中临界极值问题的处理物理学中的临界和极值问题牵涉到一定条件下寻求最佳结果或讨论其物理过程范围的问题，此类问题通常难度较大技巧性强，所涉及的内容往往与动力学、电磁学密切相关，综合性强。

在高考命题中经常以压轴题的形式出现，临界和极值问题是每年高考必考的内容之一。

一．解决动力学中临界极值问题的基本思路所谓临界问题是指当某种物理现象（或物理状态）变为另一种物理现象（或另一物理状态）的转折状态叫临界状态．可理解成“恰好出现”或“恰好不出现”．某种物理现象转化为另一种物理现象的转折状态称为临界状态。

至于是“出现”还是“不出现”，需视具体问题而定。

极值问题则是在满足一定的条件下，某物理量出现极大值或极小值的情况。

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的条件，要特别注意可能出现的多种情况。

动力学中的临界和极值是物理中的常见题型，同学们在刚刚学过的必修1中匀变速运动规律、共点力平衡、牛顿运动定律中都涉及到临界和极值问题。

在解决临办极值问题注意以下几点：○1临界点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，系统的一些物理量达到极值。

○2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，能否用变化的观点正确分析其运动规律是求解这类题目的关键，而临界点的确定是基础。

○3许多临界问题常在题目的叙述中出现“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脱离”……等词句对临界问题给出了明确的暗示，审题是只要抓住这些特定词语其内含规律就能找到临界条件。

○4有时，某些临界问题中并不包含常见的临界术语，但审题时发现某个物理量在变化过程中会发生突变，如运动中汽车做匀减速运动类问题，则该物理量突变时物体所处的状态即为临界状态。

○5临界问题通常具有一定的隐蔽性，解题灵活性较大，审题时应力图还原习题的物理情景，抓住临界状态的特征，找到正确的解题方向。

1.雨水从水平长度一定的光滑斜面形屋顶流淌时间最短——屋面倾角为45°。

2.从长斜面上某点平抛出的物体距离斜面最远——速度与斜面平行时刻。

3.物体以初速度沿固定斜面恰好能匀速下滑（物体冲上固定斜面时恰好不再滑下）—μ=tgθ。

4.物体刚好滑动——静摩擦力达到最大值。

5.两个物体同向运动其间距离最大（最小）——两物体速度相等。

6.两个物体同向运动相对速度最大（最小）——两物体加速度相等。

7.位移一定的先启动后制动分段运动，在初、末速及两段加速度一定时欲使全程历时最短——中间无匀速段（位移一定的先启动后制动分段匀变速运动，在初速及两段加速度一定时欲使动力作用时间最短——到终点时末速恰好为零）8.两车恰不相撞——后车追上前车时两车恰好等速。

9.加速运动的物体速度达到最大——恰好不再加速时的速度。

10.两接触的物体刚好分离——两物体接触但弹力恰好为零。

11.物体所能到达的最远点——直线运动的物体到达该点时速度减小为零（曲线运动的物体轨迹恰与某边界线相切）12.在排球场地3米线上方水平击球欲成功的最低位置——既触网又压界13.木板或传送带上物体恰不滑落——物体到达末端时二者等速。

14.线（杆）端物在竖直面内做圆周运动恰能到圆周最高点—最高点绳拉力为零（=0v杆端）15.竖直面上运动的非约束物体达最高点——竖直分速度为零。

16.细线恰好拉直——细线绷直且拉力为零。

17.已知一分力方向及另一分力大小的分解问题中若第二分力恰为极小——两分力垂直。

18.动态力分析的“两变一恒”三力模型中“双变力”极小——两个变力垂直。

19.欲使物体在1F2F两个力的作用下，沿与1F成锐角的直线运动，已知1F为定值，则2F最小时即恰好抵消1F在垂直速度方向的分力。

20.渡河中时间最短——船速垂直于河岸，即船速与河岸垂直（相当于静水中渡河）。

21.船速大于水速的渡河中航程最短——“斜逆航行”且船速逆向上行分速度与水速抵消。

中学物理 Vol . 39 No . 03 2021年2月•解题指南•採析高中物理汐学中的临界与权值问题邓贤彬(四川省资中县教研室四川资中641200)摘要：临界与极值问题是高中物理中最难、最重要的知识，例举若干例题从极值问题的产生原因、情景过程和数 学手段等方面加以分析.关键词：力学；临界与极值问题；例析中图分类号:G 633.7文献标识码：B临界和极值问题，是高中物理中最重要、最典型 的一类问题,也是学生学习物理中最头痛的问题.这 类问题，往往因过程、情景复杂，条件隐藏较深，数学 技巧要求高，经常成为高考考查学生综合能力的重要切入点.学生遇到这类问题，往往不知如何下手，得分 率较低.本文尝试从此类问题的产生原因、情景过程、 数学手段等方面进行归类研究.1追及问题的临界和极值问题 1.1物理情景分析假设甲、乙两物体在同一直线上向同一方向运 动，且甲在后面追乙.两物体相对位置变化的原因和 两物体的速度关系见表1.表1速度条件位置关系能否相遇”甲 >以乙甲乙两物体间距离越来越小能V 甲乙甲乙两物体间距离保持不变两物体相距最近或者最远甲乙两物体间距离越来越大不能结论:速度是两物体相对位置变化的根本原因， 是追及问题中的关键条件，速度相等是两物体追得 上、追不上或者刚好追上的临界条件.1.2 分析技巧1.2. 1—个临界条件二者速度相等，它既是物体能否追上、追不上或 者刚好追上的临界条件，也是物体间相距最近或者最 远的条件.1.2.2两个等量关系时间关系和位移关系，利用这两个关系可以列方 程或者方程组求解.1.3 常用数学方法1.3. 1图像法画出两物体的《图像，利用两图像的交点和所文章编号：1008 - 4134(2021)03 - 0057 - 03围成图形的“面积”判断.1.3.2数学极值法设相遇时间为^根据条件列方程,得到关于位移 *与时间《的函数关系，由此判断两物体的追及或相 遇情况，并求出最大值或者最小值.例题1在平直的公路上，一辆小汽车在路口等待交通灯，绿灯亮时一辆道路维护车在前方以= 10m /S 的速度匀速前进，小汽车立即以a , =2m /s 2的 加速度启动,启动时，两车相距％ =75m .求：（1)汽车启动后经过多长时间从道路维护车 旁边经过？(2)相遇前两车相距的最远距离是多少？解析：图像法：(1)由条件知：当|x 2 x 彳=10f , + 75时，两物体相遇，即q = 15s .(2)由图1，当《 =5s 时两物体速度相等，且相距最远•最远距离10 x 5 +75 = 100m .数学极值法：(1)设经过 <,时间小汽车和维护车相遇，由位移关系7[守丨+ X 。

高中物理中的临界与极值问题高中物理中的临界与极值问题宝鸡文理学院附中何治博一、临界与极值概念所谓物理临界问题是指各种物理变化过程中，随着条件的逐渐变化，数量积累达到一定程度就会引起某种物理现象的发生，即从一种状态变化为另一种状态发生质的变化（如全反射、光电效应、超导现象、线端小球在竖直面内的圆周运动临界速度等），这种物理现象恰好发生（或恰好不发生）的过度转折点即是物理中的临界状态。

与之相关的临界状态恰好发生（或恰好不发生）的条件即是临界条件，有关此类条件与结果研究的问题称为临界问题，它是哲学中所讲的量变与质变规律在物理学中的具体反映。

极值问题则是指物理变化过程中，随着条件数量连续渐变越过临界位置时或条件数量连续渐变取边界值（也称端点值）时，会使得某物理量达到最大（或最小）的现象，有关此类物理现象及其发生条件研究的问题称为极值问题。

临界与极值问题虽是两类不同的问题，但往往互为条件，即临界状态时物理量往往取得极值，反之某物理量取极值时恰好就是物理现象发生转折的临界状态，除非该极值是单调函数的边界值。

因此从某种意义上讲，这两类问题的界线又显得非常的模糊，并非泾渭分明。

高中物理中的临界与极值问题，虽然没有在教学大纲或考试说明中明确提出，但近年高考试题中却频频出现。

从以往的试题形式来看，有些直接在题干中常用“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，要抓住这些特定的词语发掘其内含的物理规律，找出相应的临界条件。

也有一些临界问题中并不显含上述常见的“临界术语”，具有一定的隐蔽性，解题灵活性较大，审题时应力图还原习题的物理情景，周密讨论状态的变化。

可用极限法把物理问题或物理过程推向极端，从而将临界状态及临界条件显性化；或用假设的方法，假设出现某种临界状态，分析物体的受力情况及运动状态与题设是否相符，最后再根据实际情况进行处理；也可用数学函数极值法找出临界状态，然后抓住临界状态的特征，找到正确的解题方向。

有关“物理”的临界与极值问题高中物理中的临界与极值问题涉及到多个知识点，包括牛顿第二定律、圆周运动、动量守恒等。

有关“物理”的临界与极值问题如下：1.牛顿第二定律与临界问题：●牛顿第二定律描述了物体的加速度与合外力之间的关系。

当物体受到的合外力为零时，物体处于平衡状态。

●在某些情况下，物体受到的合外力不为零，但物体仍然处于平衡状态，这是因为物体受到的合外力恰好等于某个临界值。

这种状态被称为“临界平衡”。

●在解决与临界平衡相关的问题时，通常需要考虑物体的平衡条件和牛顿第二定律。

通过分析物体的受力情况，可以确定物体是否处于临界平衡状态，以及需要施加多大的力才能使物体离开临界平衡状态。

2.圆周运动中的极值问题：●圆周运动中的极值问题通常涉及向心加速度和线速度的最大值和最小值。

●当物体在圆周运动中达到最大速度时，其向心加速度最小。

此时，物体的线速度最大，而向心加速度为零。

●当物体在圆周运动中达到最小速度时，其向心加速度最大。

此时，物体的线速度最小，而向心加速度为最大值。

●在解决与圆周运动中的极值问题相关的问题时，通常需要考虑向心加速度和线速度之间的关系，以及如何通过分析物体的受力情况来确定其最大速度和最小速度。

3.动量守恒与极值问题：●动量守恒定律描述了系统在不受外力作用的情况下，系统内各物体的动量之和保持不变。

●在某些情况下，系统受到的外力不为零，但系统仍然保持动量守恒。

这是因为系统受到的外力恰好等于某个临界值。

这种状态被称为“临界动量守恒”。

在解决与临界动量守恒相关的问题时，通常需要考虑系统的动量守恒条件和外力的作用。

通过分析系统的受力情况，可以确定系统是否处于临界动量守恒状态，以及需要施加多大的外力才能使系统离开临界动量守恒状态。

高中物理中的临界问题与极值问题精品讲学案一、临界与极值概念所谓物理临界问题是指各种物理变化过程中，随着条件的逐渐变化，数量积累达到一定程度就会引起某种物理现象的发生，即从一种状态变化为另一种状态发生质的变化（如全反射、光电效应、超导现象、线端小球在竖直面内的圆周运动临界速度等），这种物理现象恰好发生（或恰好不发生）的过度转折点即是物理中的临界状态。

与之相关的临界状态恰好发生（或恰好不发生）的条件即是临界条件，有关此类条件与结果研究的问题称为临界问题，它是哲学中所讲的量变与质变规律在物理学中的具体反映。

极值问题则是指物理变化过程中，随着条件数量连续渐变越过临界位置时或条件数量连续渐变取边界值（也称端点值）时，会使得某物理量达到最大（或最小）的现象，有关此类物理现象及其发生条件研究的问题称为极值问题。

临界与极值问题虽是两类不同的问题，但往往互为条件，即临界状态时物理量往往取得极值，反之某物理量取极值时恰好就是物理现象发生转折的临界状态，除非该极值是单调函数的边界值。

因此从某种意义上讲，这两类问题的界线又显得非常的模糊，并非泾渭分明。

高中物理中的临界与极值问题，虽然没有在教学大纲或考试说明中明确提出，但近年高考试题中却频频出现。

从以往的试题形式来看，有些直接在题干中常用“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，要抓住这些特定的词语发掘其内含的物理规律，找出相应的临界条件。

也有一些临界问题中并不显含上述常见的“临界术语”，具有一定的隐蔽性，解题灵活性较大，审题时应力图还原习题的物理情景，周密讨论状态的变化。

可用极限法把物理问题或物理过程推向极端，从而将临界状态及临界条件显性化；或用假设的方法，假设出现某种临界状态，分析物体的受力情况及运动状态与题设是否相符，最后再根据实际情况进行处理；也可用数学函数极值法找出临界状态，然后抓住临界状态的特征，找到正确的解题方向。

2025高考物理曲线运动中的临界和极值问题一、单选题1．第24届冬季奥运会于2022年2月4日在北京和张家口联合举行，跳台滑雪是冬奥会中最具观赏性的项目之一，北京跳台滑雪赛道“雪如意”如图甲所示，其简化图如图乙所示，跳台滑雪赛道由助滑道AB，着陆坡BC，减速停止区CD三部分组成，B点处对应圆弧半径为R=50m。

比赛中质量m=50kg的运动员从A点由静止下滑，运动到B点后水平飞出，落在着陆坡的C点，已知运动员在空中的飞行时间为4.5s，着陆坡的倾角θ=37°，重力加速度g=10m/s²，忽略空气阻力影响，则（）A．运动员从B点水平飞出的速度大小为60m/sB．运动员从B点飞出后离斜面最远时速度大小为45m/sC．运动员从B点飞出后经3s离斜面最远D．运动员在B点对轨道的压力为1400N二、解答题2．一个排球场总长18m，设网高为2m，运动员站在离网3m的线上，正对网前跳起将球水平击出（g=10m/s2）（1）设击球点高度为2.45m，若球不触网，击球速度应为多大？（2）若击球点的高度小于某一值，那么无论水平速度多大，球不是触网就是出界，试求这个高度？3．单板滑雪U 型池比赛是冬奥会比赛项目，其场地可以简化为如图甲所示的模型： U 形滑道由两个半径相同的四分之一圆柱面轨道和一个中央的平面直轨道连接而成，轨道倾角为17.2°。

某次练习过程中，运动员以v M =10 m/s 的速度从轨道边缘上的M 点沿轨道的竖直切面ABCD 滑出轨道，速度方向与轨道边缘线AD 的夹角α=72.8°，腾空后沿轨道边缘的N 点进入轨道。

图乙为腾空过程左视图。

该运动员可视为质点，不计空气阻力，取重力加速度的大小g =10 m/s 2， sin72.8°=0.96，cos72.8°=0.30。

求：(1)运动员腾空过程中离开AD 的距离的最大值d ；(2)M 、N 之间的距离L 。

下中物理中的临界与极值问题之阳早格格创做宝鸡文理教院附中何治专一、临界与极值观念所谓物理临界问题是指百般物理变更历程中，随着条件的渐渐变更，数量聚集达到一定程度便会引起某种物理局里的爆收，即从一种状态变更为另一种状态爆收量的变更（如齐反射、光电效力、超导局里、线端小球正在横直里内的圆周疏通临界速度等），那种物理局里恰佳爆收（或者恰佳不爆收）的过分转合面即是物理中的临界状态.与之相关的临界状态恰佳爆收（或者恰佳不爆收）的条件即是临界条件，有关此类条件与截止钻研的问题称为临界问题，它是形而上教中所道的量变与量变顺序正在物理教中的简直反映.极值问题则是指物理变更历程中，随着条件数量连绝渐变越过临界位子时或者条件数量连绝渐变与鸿沟值（也称端面值）时，会使得某物理量达到最大（或者最小）的局里，有关此类物理局里及其爆收条件钻研的问题称为极值问题.临界与极值问题虽是二类分歧的问题，但是往往互为条件，即临界状态时物理量往往博得极值，反之某物理量与极值时恰佳便是物理局里爆收转合的临界状态，除非该极值是单调函数的鸿沟值.果此从某种意思上道，那二类问题的界线又隐得非常的朦胧，并不是泾渭明隐.下中物理中的临界与极值问题，虽然不正在教教大目或者考查道明中粗确提出，但是连年下考查题中却频频出现.从往常的试题形式去瞅，有些间接正在题搞中时常使用“恰佳”、“最大”、“起码”、“不相碰”、“不摆脱”……等词汇语对付临界状态给出了粗确的表示，审题时，要抓住那些特定的词汇语收挖其内含的物理顺序，找出相映的临界条件.也有一些临界问题中本去不隐含上述罕睹的“临界术语”，具备一定的湮出性，解题机动性较大，审题时应力图还本习题的物理情景，粗细计划状态的变更.可用极限法把物理问题或者物理历程推背极度，进而将临界状态及临界条件隐性化；或者用假设的要领，假设出现某种临界状态，领会物体的受力情况及疏通状态与题设是可相符，终尾再根据本量情况举止处理；也可用数教函数极值法找出临界状态，而后抓住临界状态的特性，找到粗确的解题目标.从往常试题的真量去瞅，对付于物理临界问题的考查主要集结正在力战疏通的关系部分，对付于极值问题的考查则主要集结正在力教或者电教等权沉较大的部分.二、罕睹临界状态及极值条件解问临界与极值问题的关键是觅找相关条件，为了普及解题速度，不妨明白并记着一些罕睹的要害临界状态及极值条件：1.雨火从火仄少度一定的光润斜里形屋顶流淌时间最短——2.从少斜里上某面仄扔出的物体距离斜里最近——速度与斜里仄止时刻3.物体以初速度沿牢固斜里恰佳能匀速下滑（物体冲上牢固斜里时恰佳不再滑下）—μ=tgθ.4.物体刚刚佳滑动——静摩揩力达到最大值.5.二个物体共背疏通其间距离最大（最小）——二物体速度相等.6.二个物体共背疏通相对付速度最大（最小）——二物体加速度相等.7.位移一定的先开用后制动分段疏通，正在初、终速及二段加速度一定时欲使齐程历时最短——中间无匀速段（位移一定的先开用后制动分段匀变速疏通，正在初速及二段加速度一定时欲使能源效率时间最短——到终面时终速恰佳为整）8.二车恰不相碰——后车逃上前车时二车恰佳等速.9.加速疏通的物体速度达到最大——恰佳不再加速时的速度.10.二交战的物体刚刚佳分散——二物体交战但是弹力恰佳为整.11.物体所能到达的最近面——直线疏通的物体到达该面时速度减小为整（直线疏通的物体轨迹恰与某鸿沟线相切）12.正在排球场合3米线上圆火仄打球欲乐成的最矮位子——既触网又压界13.木板或者传递戴上物体恰不滑降——物体到达终端时二者等速.14.线（杆）端物正在横直里内搞圆周疏通恰能到圆周最下面15.横直里上疏通的非拘束物体达最下面——横直分速度为整.16.细线恰佳推直——细线绷直且推力为整.17.已知一分力目标及另一分力大小的领会问题中若第二分力恰为极小——二分力笔直.18.动背力领会的“二变一恒”三力模型中“单变力”极小——二个变力笔直.19.度目标的分力.20.渡河中时间最短——船速笔直于河岸，即船速与河岸笔直（相称于静火中渡河）.21.船速大于火速的渡河中航程最短——“斜顺航止”且船速顺进与止分速度与火速对消.22.船速小于火速的渡河中航程最短——“斜顺航止”且船速与合速度笔直.23.“圆柱体”滚上台阶最省力——使能源臂达最大值2R.24.25.益坏动能最小（大）的碰碰——真足弹性（真足非弹性）碰碰.26.简谐疏通速度最大——位移（回复力、加速度）为整.27.受迫振荡振幅恰佳达最大——驱能源的频次与振荡系统的固有频次相等.28.二个共相相搞波源连线上振幅最大的面——二边距连线中…29.惟有板滞能与电势能相互转移时，沉力势能与电势能之战最小时，动能最大.30.粒子恰不飞出匀强磁场——圆形轨迹与磁场鸿沟相切.31.杂电阻背载时电源输出功率最大——内中电阻阻值相等.32.滑动变阻器对付称式接法中阻值达最大——滑至中面.33.倾斜安顿的光润导轨上的通电导体棒停止时，所加匀强磁场目标若笔直于斜里的情况下磁感强度最小.34.光从介量射背气氛时恰不射出——进射角等于临界角.35.刚刚佳爆收光电效力——进射光频次等于极限频次.36.戴电粒子恰佳被速度采用器选中（霍我效力、等离子收电）——电场力与洛力仄稳.37.“大天卫星”（氢本子处于基态）时，势能最小、总能量最小、疏通周期、角速度均最小；速度、背心力、加速度均最大.38.等量共本量面电荷连线的中垂线上场强最大的位子供解.三、临界与极值问题普遍解法临界问题常常以定理、定律等物理顺序为依据，领会所钻研问题的普遍顺序战普遍解的形式及其变更情况，而后找出临界状态，临界条件，进而通过临界条件供出临界值，再根据变更情况，间接写出条件.供解极值问题的要领从大的圆里可分为物理要领战数教要领.物理要领即用临界条件供极值.数教要领包罗（1）利用矢量图供极值（2）用正（余）弦函数供极值；（3）扔物线顶面法供极值；（4）用基础不等式供极值.（5）单调函数端面值法供极值（6）导数法供解.普遍而止，用物理要领供极值简朴、直瞅、局里，对付构修物理模型及动背领会等圆里的本领央供较下，而用数教要领供极值思路宽紧，对付数教修模本领央供较下，若能将二者给予混合，则将相得亦彰，对付巩固解题本领大有裨益.四、典型问题领会例题1．某屋顶横断里是一等腰三角形ABC ，横梁AC=2L （定值），欲使雨火从屋顶里下贵下去时间最短，供屋里的倾斜角（摩揩忽略不计，雨火初速为0）剖析：设倾斜角α，AB=s ∵F=mgsinα=ma ，∴a=gsinα∵s== ∴当α=45°时，等号创制所以α=45°，雨火从屋顶（光润）下贵下所用的时间最短解法2.21sin cos 2L g t αα=⋅∴解恰当0=45α时 t 有最小值. 例题2．从倾角为θ的牢固少斜里顶面以初不计气氛阻力供自扔出经多万古间小球离斜里最近?解法一：设经t 秒小球距离斜里最近，此时速度必与斜里仄止，则所以. 解法二：近离斜里目标的所以近离斜里的速度减小至整时相距最近.时相距最近.解法四：剖析法.选初速度目标为x 轴正背，沉力目标为y 轴正仄扔物体轨迹圆故隐然二次函数有极大概的条件为即例题3．一个品量为3kg的物体搁正在少木板上，当木板一端抬起使它与火仄目标成30°的牢固斜里时，物体正佳不妨沿斜里匀速下滑.当木板火仄牢固时，用多大的火仄推力能将该物体推动？剖析：正在斜里上物体所受摩揩力与沉力沿斜里背下的分力仄稳即F=mgsin30°而滑动摩揩力f=μmgcos30°所以μ=tan30°正在火仄里上推的时间压力大小等于沉力大小.则火仄里上的摩揩力f=μmg=mgtan30°所以推力起码要达到那个值才搞推动物体，例题4-1．某物体所受沉力为200 N，搁正在火仄大天上，它与大天间的动摩揩果数是，它与大天间的最大静摩揩力是80 N，起码要用_________N的火仄推力，才搞将此物体推动，若推动之后脆持物体搞匀速直线疏通，火仄推力应为_________N；物体正在大天上滑动历程中，若将火仄推力减小为50 N，直到物体再次停止前，它所受到的摩揩力为_________N；物体停止后，此50 N的火仄推力并已撤去，物体所受的摩揩力大小为_________N.剖析：从停止推物体时推力起码达到最大静摩揩力80N才不妨推动物体；推动后当推力大小与滑动摩揩力等值（200×0.38=76N）时物体将搞匀速直线疏通；正在物体滑动历程中火仄推力若减小至50N，物体受到的滑动摩揩力仍跟本去一般为76N；物体停止后此50N的火仄推力并已撤去时物体受静摩揩力大小等于此时的火仄推力大小50N.例题4-2． 如图所示，U 形导线框牢固正在火仄里上，左端搁有品量为m 的金属棒ab ，ab 与导轨间的动摩揩果数为μ，它们围成的矩形边少分别为1L 、2L ，回路的总电阻为R.从t=0时刻起，正在横直进与目标加一个随时间匀称变更的匀强磁场B=kt ，（k>0）那么正在t 为多大时，金属棒开初移动.剖析：当磁场爆收变更的时间，有感触电动势爆收，正在回路中便会爆收感触电流，ab 棒会受到安培力的效率，则ab 有背左疏通的趋势，则ab 便会受到背左的静摩揩力的效率.当ab 棒受到安培力战静摩揩力的效率仄稳时，由12E kL L t ∆Φ==∆可知，回路中感触电动势是恒定的，电流大小也是恒定的，但是由于安培力F=BIL ∝B=kt ∝t ，所以安培力将随时间而删大，所以ab 受到的静摩揩力也删大，二者终究是等值反背的，只消安培力的大小不超出最大静摩揩力，ab 便终究处于停止状态.当安培力大于最大静摩揩力之后，ab 便会疏通起去.正在停止到疏通之间便存留着一个从停止到疏通的临界状态，此状态的临界条件便是安培力删大到等于最大静摩揩力.此时有：1212212,kL L mgR kt L mg t R k L L μμ⋅⋅==所以例题4-3．如图3所示二根仄止的金属导轨牢固正在共一火仄里上，磁感触强度的匀强磁场与导轨仄里笔直，导轨电b a L 1 L 2阻不计，导轨间距；二根品量均为电阻均为的仄止金属杆甲、乙可正在导轨上笔直于导轨滑动，与导轨间的动摩揩果数均为；现有一与导轨仄止大小为的火仄恒力效率于甲杆使金属杆正在导轨上滑动，已知210m g s = 供（1）领会甲、乙二杆的疏通的情况？（2）杆疏通很万古间后开初，则再通过5秒钟二杆间的距离变更了几？剖析：（1）金属杆甲正在火仄恒力（那里0.5f mg μ==甲牛为甲杆所受的最大静摩揩力）效率下将背左加速疏通并切割磁感线爆收顺时针目标的感触电流，果而使甲杆共时受到火仄背左的安培阻力；乙杆中也果为有了电流而受到火仄背左的安培能源，二个安培力等值反背；开初时甲杆的切割速度较小故安培力=均较小，随的删大则回路中的感触电流删大，所以二杆所受的安培力=均删大，故甲杆将背左做加速度减小的变加速疏通；当时乙杆也将开初背左做加速度渐渐删大的变加速疏通；直到甲、乙二杆的加速度相等时（此时甲乙二杆速度好v ∆最大，回路中动死电流最大即0.50.2=0.44m BL v v v I R ⋅∆⨯⨯∆∆==总， 每杆受安培力最大即0.50.2440Bm m v v F BI L ∆∆==⨯⨯=乙杆的加速度最大即max 54Bm F mg v a m μ-∆==-乙甲杆的加速度最小即min 154Bm F F mg v a m μ--∆==-甲图5所以甲乙二杆以共共的加速度，恒定的速度好背左搞匀加速直线疏通.即甲相对付乙将背左搞匀速直线疏通而近离.（2）依据上述领会知疏通很万古间后甲乙二杆将以共共的加速度背左搞匀加速直线疏通，亦即5秒例题4-4．如图5一端施一大小为20N 的恒力FM 可视为量面，问木块从较近处背左疏通到离定滑轮多近时加速度最大？最大加速度为几？剖析： 设当沉绳与火仄目标成角θ时，对付M 有A 与最大值时a 最大.利用三角函数知识有：此时木块离定滑轮的火仄距离为：cm=θcot≈S25h道明：此题并不是正在所有条件下皆能达到上述最大加速度，当木块达到一定值时，有大概使物体摆脱大天，今后物体将不正在沿着火仄里疏通.果此，F、M、μ必须谦足θsinF≤Mg.此题所给数据谦足上述条件，不妨达到最大加速度.例题4-5．如图3所示，品量为m=1kg的物块搁正在倾角为的斜里体上，斜里品量为，斜里与物块间的动摩揩果数为，大天光润，现对付斜里体施一火仄推力F，要使物体m相对付斜里停止，试决定推力F的与值范畴.（）图3剖析：此题有二个临界条件，当推力F较小时，物块有相对付斜里背下疏通的大概性，此时物体受到的摩揩力沿斜里进与；当推力F较大时，物块有相对付斜里进与疏通的大概性，此时物体受到的摩揩力沿斜里背下.找准临界状态，是供解此题的关键.（1）设物块处于相对付斜里背下滑动的临界状态时的推力为F1，此时物块受力如图4所示，与加速度的目标为x轴正目标.图4对付物块领会，正在火仄目标有横直目标有对付真足有代进数值得（2）设物块处于相对付斜里进与滑动的临界状态时的推力为F2图4-6 对付物块领会，正在火仄目标有 横直目标有， 对付真足有代进数值得.综上所述可知推力F 的与值范畴为： 例题4-6.如图4-6所示，跨过定滑轮的沉绳二端，分别系着物体A 战B ，物体A 搁正在倾角为α的斜里上，已知物体A 的品量为m ，物体B 战斜里间动摩揩果数为μ（μ<t an θ），滑轮的摩揩不计，要使物体停止正在斜里上，供物体B 品量的与值范畴．剖析：物体正在斜里上大概恰佳不上滑，也大概恰佳不下滑，所以摩揩力大概有二个目标.以B 为钻研对付象，由仄稳条件得：B T m g =再以A 为钻研对付象，它受沉力、斜里对付A 的收援力、绳的推力战斜里对付A 的摩揩效率．假设A 处于临界状态，即cos N mg θ=0,m m T f mg f N μ--==或者：0,m m T f mg f N μ+-==(sin cos )(sin cos )B m m m θμθθμθ-≤≤+例题5-1．甲物体以=4m v s 甲搞匀速直线疏通，乙物体正在其后里5m 处沿共背去线共一目标搞初速为整加速度22m a s =的匀加速直线疏通，问乙物体是可不妨逃上甲物体？并供出其间距离的最大值.解法一：（1）乙物体一定不妨逃上甲物体.（2）用临界法领会供极值：乙物体加速至=4m v s 甲前，速度小于其前圆的甲物体疏通速度，此阶段其间距离不竭删大，当乙物体加速至=4m v s 甲后，速度大于其前圆的甲物体疏通速度，所以正在尚已逃上甲物体前，其间距离不竭减小，故等速时其间距离最大.令a t v ⋅=甲 解得4==22v t s a =甲 此时相距最近 解法二：（2）用扔物线顶面坐标法供极值：依据甲乙二物体各自疏通顺序可得出其间的距离函数222011+5424522S S v t at t t t t =⋅-=+-⨯=-++甲 422(1)t =-=-s 时 例题5-2．（宝鸡2012年二模）如图所示，品量为6kg 的小球A 与品量为3kg 的小球B ，用沉弹簧贯串后正在光润火仄里上共共以速度0v 背左匀速疏通，正在A 球与左侧横直墙壁碰后二球继承疏通的历程中，弹簧的最大弹性势能为4J ，若A 球与左侧墙壁碰碰前后无板滞能益坏，试供0v 的大小.剖析：那里弹性势能最大时即簧压缩量最大，亦即A 与左侧0v 为初速（碰墙壁无板滞能益坏）背左减速疏通，B 仍以0v 为初速背左减速，但是B 球品量小先减至整又反背背左加速疏通，二者均背左疏通等速时其间距离最小，此时簧的弹性势能最大.果为碰墙壁后背左疏通历程A+B 系统总动量守恒，如果选背左为正目标则又果为碰墙壁后背左疏通历程A+B （含簧）系统总板滞能守恒则联坐供解并代进数值得01m v s = （13AB m v s =） 例题5-3．（90年世界卷）正在光润的火仄轨道上有二个半径皆是r 的小球A 战B ，品量分别为m 战2m ，当二球心间距离大于L （L 比2r 大得多）时，二球之间无相互效率力；当二球心间距离等于或者小于L 时，二球间存留相互效率的恒定斥力F.设A 球从近离B 球处以速度0v 沿二球连心线背本去停止的B 球疏通，如图12-2所示，欲使二球不爆收交战，0v 必须谦足什么条件剖析 ： 据题意，当A 、B 二球球心间距离小于L 时，二球间存留相互效率的恒定斥力 F.故A 减速而B 加速.B A v v >时，A 、B 间距离减小；当B A v v <时，A 、B 间距离删大.可睹，当B A v v =时，A 、B相距迩去.若此时A 、B 间距离r x 2>，则A 、B 不爆收交战（图12-3）.上述状态即为所觅找的临界状态，B A v v =时r x 2>则为临界条件.二球不交战的条件是：B A v v = （1） 2B A L S S r +- （2）其中A v B v 为二球间距离最小时，A 、B球的速度；A S 、B S为二球间距离从L 变至最小的历程中，A 、B 球通过的路途. 设0v 为A 球的初速度，对付于A+B 系统由动量守恒定律得 B A mv mv mv 20+= （3）对付于A 球由动能定律得022011cos18022A A F S mv mv ⋅=- （4）对付于B 球由动能定律得 021cos0(2)2B B F S m v ⋅= （5） 联坐解得：m r L F v )2(30-<评析 本题的关键是粗确找出二球“不交战”的临界状态，为B A v v =且此时r x 2>例题6．（09年江苏卷）如图所示，二品量相等的物块A 、B 通过一沉量弹簧对接，B 足够少、搁置正在火仄里上，所有交战里均光润.弹簧开初时处于本少，疏通历程中终究处正在弹性极限内.正在物块A 上施加一个火仄恒力，A 、B 从停止开初疏通到第一次速度相等的历程中，下列道法中粗确的有 （ ）A ．当A 、B 加速度相等时，系统的板滞能最大B ．当A 、B 加速度相等时，A 、B 的速度好最大C ．当A 、B 的速度相等时，A 的速度达到最大D ．当A 、B 的速度相等时，弹簧的弹性势能最大剖析：领会本题的关键是对付物体举止受力领会战疏通历程领会，使用图象处理则不妨使问题越收简朴.A 、B 物块正在火仄目标受力如左图上下，F 1为弹簧的推力.A 从停止开初背左搞加速度减小的变加速直线疏通，B 从停止开初背左搞加速度删大的变加速直线疏通，当二物块加速度相等时它们的速度好最大（果为该阶段A 速度的减少值经常大于B 速度的减少值），————选B.该历程可视为B 板后沿(量面)逃打A 物块，果为前里A 物体的速度经常大于后里B 物体的速度，所以其间距离不竭删大（共一时间内A 物的位移经常大于B 物的位移），当二物体等速时其间距离最大即弹簧伸少量最大，所以弹簧的弹性势能最大.————选D据前领会该历程A 物体终究搞加速度减小的加速疏通（B 物也终究加速但是加速度删大），那种疏通背去持绝到A 物体加速度减为整（此时B 物体加速度删至F/m ），即A 物体速度单调减少，故终时刻速度最大.————选C.又果中力F 不竭搞正功，所以系统板滞能不竭删大，终时刻板滞能最大.————排除A. 1t 时刻2A B F a a m ==2t 时刻A B v v =且A 物加速度=0例题7-1．消防队员为了收缩下楼时间，往往抱着直坐于大天的横直滑杆间接滑下（设滑杆正在火仄目标不克不迭移动），假设一名品量为60kg 的消防队员从离大天18m 的七楼抱着横直的滑杆以最短的时间滑下.已知消防队员的脚战足对付杆之间的压力最大为1800N ，脚战足与滑杆之间动摩揩果数为0.5，消防队员着天的速度不克不迭大于6m/s ，当天（1）消防队员下滑的最短时间？（2）消防队员下滑历程中最大速度？解法一（基础不等式极值法）：设消防队员先搞自由降体疏900N 大于沉力600N佳减速至=6m/s ，则下滑时间①且..② 又依牛顿第二定律知消防队员减速下滑的加速度最大值为..③ 将②③式代进①式并整治有即消防队员下滑的最短时间为2.4 s ，即加速1.2s 、匀速0s 、减速1.2s.（2）消防队员下滑的最大速度即自由降体段下滑的终速度解法二18m ，那种临界状态的v-t 图像如下图中真线OAB 所示，其与横轴所围成的图形“里积”恰佳为18m ，隐然其余任性一个含有匀速疏通段的图形若里积与其相等(比圆OPQM)，则底边少度必大于24s.所以先加速后减速中间无匀速疏通段，历时最短.例题7-2．（06年上海卷） (辨析题):央供摩托车由停止开初正在尽管短的时间内走完一段直道，而后驶进一段半圆形的直道，但是正在直道上止驶时车速不克不迭太快，免得果离心效率而偏偏出车道，供摩托车正在直道上止驶所用的最短时间.有关数据睹表1.某共教是那样解的：要使摩托车所用时间最短，应先由静，而后再减速，您认为那位共教的解法是可合理?若合理，请完毕估计；若分歧理，请道明缘由，并用您自己的要领算出粗确截止.剖析：故分歧理.40），又以加速度218m 的直道距离止驶，即为最短时间.例题7-3．（2013年宝鸡市一检试题）如图所示，火仄大天上有A 、B 二面，且二面间距离LAB=15m，品量m=2kg 的物体（可视为量面）停止正在A 面，为使物体疏通到B 面，现给物体施加一火仄F =10N 的推力，供推力F 效率的最短时间.（已知大天与物块的滑动摩揩果数μ=0.2，g 与10m/s2）剖析：可证要使F 效率时间最短，则F B 面恰佳停止（道明睹后）.设匀加速直线疏通的加速度为a1可得：（1）（2）设撤去F（3）（4）（5）（6）（7）道明：设恒力F滑止段-2，设滑止段即恒力效率时间最小需要2s.亦即滑止至终速恰佳为整所需的时间为2s (也可通过v-t图像证略).例题8．后圆距离甲车S驶速度脆持稳定，为了保证二车不相碰，乙车搞匀减速直线疏通的加速度大小起码为多大？解法一：.设a ，恰逃上时历时0t 则20=v v at -乙令201==v v at v -乙 解得210v v t a-=又果为21101=v v s v t v a -=⋅甲2222212121200211s =()222v v v v v v v t at v a a a a----=⋅-⋅=乙 令+s s s =乙甲 解得221()2v v a s-=解法二：以甲车为参照物，乙车的相对付初速度为21v v -，设加速度（亦即相对付加速度）为a相对付终速度为0，相对付位移为S ，则有2221()02v v as --=所以 221()2v v a s-=例题9．如图所示，横直搁置的U 形导轨宽为L ，上端串有电阻R （其余导体部分的电阻皆忽略不计）.磁感触强度为B 的匀强磁场目标笔直于纸里背中.金属棒ab 的品量为m ，与导轨交战良佳，不计摩揩.从停止释搁后ab 脆持火仄下滑.试供ab 下滑的最大速度m v .剖析：释搁瞬间ab 只受沉力，开初背下加速疏通，只消ab 有速度，正在ab 上便会爆收动死电动势，正在回路中便会爆收电流，由左脚定则知，ab 会受到进与的安培力的效率.动死电动势会随着速度的删大而不竭的删大，回路中电流便会不竭的删大，根据=F BIL 安，安培力会不竭的删大，则ab 搞加速0F mg -=安时，其加速度便形成0，速度达到最大，开初搞匀速直线疏通.果此，正在从变速疏通状态变到匀速状态之间有一个速度达到最大的状态，此状态的临界条件便是ab 受的的沉力大小等于安培力大小.m gR v L B F m==22，可得22L B mgRv m =例题10-1．如图所示，m=4kg 的小球挂正在小车后壁上，细线与横直目标成37°角.要使后壁对付小球不爆收力的效率小车的加速度应谦足的条件？剖析：小车背左加速或者背左减速时，后壁对付小球的效率力N 有大概减为整，那时小球将离开后壁而“飞”起去.那时细线跟横直目标的夹角会改变，果此细线推力F 的目标会改变.所以必须先供出那个临界值.领会知正在该临界状态下， 小球横直目标仄稳， 则0cos37=F mg细线推力火仄分量使得小球正在火仄目标加速，则0sin37F ma =联坐解得 小车背左加速或者背左减速的加速度大小起码为0a=g tg37⋅例题10-2.一根劲度系数为k,品量不计的沉弹簧，上端牢固,下端系一品量为m 的物体,有一火仄板将物体托住,并使弹簧处于自然少度.如图所示.现让木。

高中物理中的临界与极值成绩之杨若古兰创作宝鸡文理学院附中何治博一、临界与极值概念所谓物理临界成绩是指各种物理变更过程中，随着条件的逐步变更，数量积累达到必定程度就会惹起某种物理景象的发生，即从一种形态变更为另一种形态发生质的变更（如全反射、光电效应、超导景象、线端小球在竖直面内的圆周活动临界速度等），这类物理景象恰好发生（或恰好不发生）的过度转机点即是物理中的临界形态.与之相干的临界形态恰好发生（或恰好不发生）的条件即是临界条件，有关此类条件与结果研讨的成绩称为临界成绩，它是哲学中所讲的量变与量变规律在物理学中的具体反映.极值成绩则是指物理变更过程中，随着条件数量连续渐变超出临界地位时或条件数量连续渐变取鸿沟值（也称端点值）时，会使得某物理量达到最大（或最小）的景象，有关此类物理景象及其发生条件研讨的成绩称为极值成绩.临界与极值成绩虽是两类分歧的成绩，但常常互为条件，即临界形态时物理量常常取得极值，反之某物理量取极值时恰好就是物理景象发生转机的临界形态，除非该极值是单调函数的鸿沟值.是以从某种意义上讲，这两类成绩的界线又显得非常的模糊，并不是泾渭分明.高中物理中的临界与极值成绩，虽然没有在教学大纲或考试说明中明确提出，但近年高考试题中却频频出现.从以往的试题方式来看，有些直接在题干中经常使用“恰好”、“最大”、“至多”、“不相撞”、“不离开”……等词语对临界形态给出了明确的暗示，审题时，要捉住这些特定的词语发掘其内含的物理规律，找出呼应的临界条件.也有一些临界成绩中其实不显含上述罕见的“临界术语”，具有必定的荫蔽性，解题灵活性较大，审题时应力图还原习题的物理情景，严密讨论形态的变更.可用极限法把物理成绩或物理过程推向极端，从而将临界形态及临界条件显性化；或用假设的方法，假设出现某种临界形态，分析物体的受力情况及活动形态与题设是否符合，最初再根据实际情况进行处理；也可用数学函数极值法找出临界形态，然后捉住临界形态的特征，找到准确的解题方向.从以往试题的内容来看，对于物理临界成绩的考查次要集中在力和活动的关系部分，对于极值成绩的考查则次要集中在力学或电学等权重较大的部分.二、罕见临界形态及极值条件解答临界与极值成绩的关键是寻觅相干条件，为了提高解题速度，可以理解并记住一些罕见的次要临界形态及极值条件：1.雨水从水平长度必定的光滑斜面形屋顶流淌时间最短——2.从长斜面上某点平抛出的物体距离斜面最远——速度与斜面平行时刻3.物体以初速度沿固定斜面恰好能匀速下滑（物体冲上固定斜面时恰好不再滑下）—μ=tgθ.4.物体刚好滑动——静摩擦力达到最大值.5.两个物体同向活动其间距离最大（最小）——两物体速度相等.6.两个物体同向活动绝对速度最大（最小）——两物体加速度相等.7.位移必定的先启动后制动分段活动，在初、末速及两段加速度必定时欲使全程历时最短——两头无匀速段（位移必定的先启动后制动分段匀变速活动，在初速及两段加速度必定时欲使动力感化时间最短——到起点时末速恰好为零）8.两车恰不相撞——后车追上前车时两车恰好等速.9.加速活动的物体速度达到最大——恰好不再加速时的速度.10.两接触的物体刚好分离——两物体接触但弹力恰好为零.11.物体所能到达的最远点——直线活动的物体到达该点时速度减小为零（曲线活动的物体轨迹恰与某鸿沟线相切）12.在排球场地3米线上方水平击球欲成功的最低地位——既触网又压界13.木板或传送带上物体恰不滑落——物体到达末端时二者等速.14.线（杆）端物在竖直面内做圆周活动恰能到圆周最高点—15.竖直面上活动的非束缚物体达最高点——竖直分速度为零.16.细线恰好拉直——细线绷直且拉力为零.17.已知一分力方向及另一分力大小的分解成绩中若第二分力恰为极小——两分力垂直.18.动态力分析的“两变一恒”三力模型中“双变力”极小——两个变力垂直.19.向的分力.20.渡河中时间最短——船速垂直于河岸，即船速与河岸垂直（相当于静水中渡河）.21.船速大于水速的渡河中航程最短——“斜逆航行”且船速逆向上行分速度与水速抵消.22.船速小于水速的渡河中航程最短——“斜逆航行”且船速与合速度垂直.23.“圆柱体”滚上台阶最省力——使动力臂达最大值2R.24.25.损失动能最小（大）的碰撞——完整弹性（完整非弹性）碰撞.26.简谐活动速度最大——位移（恢复力、加速度）为零.27.受迫振动振幅恰好达最大——驱动力的频率与振动零碎的固有频率相等.28.两个同相相干波源连线上振幅最大的点——两边距连线中…29.只无机械能与电势能彼此转化时，重力势能与电势能之和最小时，动能最大.30.粒子恰不飞出匀强磁场——圆形轨迹与磁场鸿沟相切.31.纯电阻负载时电源输出功率最大——内外电阻阻值相等.32.滑动变阻器对称式接法中阻值达最大——滑至中点.33.倾斜安顿的光滑导轨上的通电导体棒静止时，所加匀强磁场方向若垂直于斜面的情况下磁感强度最小.34.光从介质射向空气时恰不射出——入射角等于临界角.35.刚好发生光电效应——入射光频率等于极限频率.36.带电粒子恰好被速度选择器选中（霍尔效应、等离子发电）——电场力与洛力平衡.37.“地面卫星”（氢原子处于基态）时，势能最小、总能量最小、活动周期、角速度均最小；速度、向心力、加速度均最大.38.等量同性质点电荷连线的中垂线上场强最大的地位求解.三、临界与极值成绩普通解法临界成绩通常以定理、定律等物理规律为根据，分析所研讨成绩的普通规律和普通解的方式及其变更情况，然后找出临界形态，临界条件，从而通过临界条件求出临界值，再根据变更情况，直接写出条件.求解极值成绩的方法从大的方面可分为物理方法和数学方法.物理方法即用临界条件求极值.数学方法包含（1）利用矢量图求极值（2）用正（余）弦函数求极值；（3）抛物线顶点法求极值；（4）用基本不等式求极值.（5）单调函数端点值法求极值（6）导数法求解.普通而言，用物理方法求极值简单、直观、抽象，对构建物理模型及动态分析等方面的能力请求较高，而用数学方法求极值思路严谨，对数学建模能力请求较高，若能将二者予以融合，则将相得亦彰，对加强解题能力大有裨益.四、典型成绩剖析例题1．某屋顶横断面是一等腰三角形ABC ，横梁AC=2L （定值），欲使雨水从屋顶面上流上去时间最短，求屋面的倾斜角（摩擦忽略不计，雨水初速为0）解析：设倾斜角α，AB=s ∵F=mgsinα=ma，∴a=gsinα∵s== ∴当α=45°时，等号成立所以α=45°，雨水从屋顶（光滑）上流下所用的时间最短解法2.21sin cos 2L g t αα=⋅∴解得当0=45α时 t 有最小值.例题2．从倾角为θ的固定长斜面顶点以初速度0v 水平抛出一小球，不计空气阻力求自抛出经多长时间小球离斜面最远?解法一：设经t 秒小球距离斜面最远，此时速度必与斜面平行，则所以. 解法二：阔别斜面方向的所以阔别斜面的速度减小至零时相距最远.时相距最远.解法四：解析法.选初速度方向为x 轴正向，重力方向为y 轴正平抛物体轨迹方故明显二次函数有极大致的条件为即例题3．一个质量为3kg的物体放在长木板上，当木板一端抬起使它与水平方向成30°的固定斜面时，物体正好可以沿斜面匀速下滑.当木板水平固定时，用多大的水平拉力能将该物体拉动？解析：在斜面上物体所受摩擦力与重力沿斜面向下的分力平衡即F=mgsin30° 而滑动摩擦力f=μmgcos30°所以μ=tan30°在水平面上拉的时候压力大小等于重力大小.则水平面上的摩擦力f=μmg=mgtan30°所以拉力至多要达到这个值才干拉动物体，例题4-1．某物体所受重力为200 N，放在水平地面上，它与地面间的动摩擦因数是，它与地面间的最大静摩擦力是80 N，至多要用_________N的水平推力，才干将此物体推动，若推动以后坚持物体做匀速直线活动，水平推力应为_________N；物体在地面上滑动过程中，若将水平推力减小为50 N，直到物体再次静止前，它所受到的摩擦力为_________N；物体静止后，此50 N的水平推力并未撤去，物体所受的摩擦力大小为_________N.解析：从静止推物体时推力至多达到最大静摩擦力80N才可以推动物体；推动后当推力大小与滑动摩擦力等值（200×0.38=76N）时物体将做匀速直线活动；在物体滑动过程中水平推力若减小至50N，物体受到的滑动摩擦力仍跟本来一样为76N；物体静止后此50N的水平推力并未撤去时物体受静摩擦力大小等于此时的水平推力大小50N.例题4-2． 如图所示，U 形导线框固定在水平面上，右端放有质量为m 的金属棒ab ，ab 与导轨间的动摩擦因数为μ，它们围成的矩形边长分别为1L 、2L ，回路的总电阻为R.从t=0时刻起，在竖直向上方向加一个随时间均匀变更的匀强磁场B=kt ，（k>0）那么在t 为多大时，金属棒开始挪动.解析：当磁场发生变更的时候，有感应电动势发生，在回路中就会发生感应电流，ab 棒会受到安培力的感化，则ab 有向左活动的趋势，则ab 就会受到向右的静摩擦力的感化.当ab 棒受到安培力和静摩擦力的感化平衡时，由12E kL L t ∆Φ==∆可知，回路中感应电动势是恒定的，电流大小也是恒定的，但因为安培力F=BIL ∝B=kt ∝t ，所以安培力将随时间而增大，所以ab 受到的静摩擦力也增大，二者始终是等值反向的，只需安培力的大小没有超出最大静摩擦力，ab 就始终处于静止形态.当安培力大于最大静摩擦力以后，ab 就会活动起来.在静止到活动之间就存在着一个从静止到活动的临界形态，此形态的临界条件就是安培力增大到等于最大静摩擦力.此时有：1212212,kL L mgR kt L mg t R k L L μμ⋅⋅==所以例题4-3．如图3所示两根平行的金属导轨固定在同一水平面上，磁感应强度的匀强磁场与导轨平面垂直，导轨电阻b aL 1 L 2不计，导轨间距；两根质量均为电阻均为的平行金属杆甲、乙可在导轨上垂直于导轨滑动，与导轨间的动摩擦因数均为；现有一与导轨平行大小为的水平恒力感化于甲杆使金属杆在导轨上滑动，已知210m g s = 求（1）分析甲、乙二杆的活动的情况？（2）杆活动很长时间后开始，则再经过5秒钟二杆间的距离变更了多少？解析：（1）金属杆甲在水平恒力（这里0.5f mg μ==甲牛为甲杆所受的最大静摩擦力）感化下将向右加速活动并切割磁感线发生逆时针方向的感应电流，因此使甲杆同时受到水平向左的安培阻力；乙杆中也因为有了电流而受到水平向右的安培动力，两个安培力等值反向；开始时甲杆的切割速度较小故安培力=均较小，随的增大则回路中的感应电流增大，所以两杆所受的安培力=均增大，故甲杆将向右作加速度减小的变加速活动；当时乙杆也将开始向右作加速度逐步增大的变加速活动；直到甲、乙二杆的加速度相等v ∆最大，回路中动生电流最大即0.50.2=0.44m BL v v v I R ⋅∆⨯⨯∆∆==总， 每杆受安培力最大即0.50.2440Bm m v v F BI L ∆∆==⨯⨯=乙杆的加速度最大即max 54Bm F mg v a m μ-∆==-乙甲杆的加速度最小即min 154Bm F F mg v a m μ--∆==-甲图5所以甲乙两杆以共同的加速度，恒定的速度差向右做匀加速直线活动.即甲绝对乙将向右做匀速直线活动而阔别.（2）根据上述分析知活动很长时间后甲乙两杆将以共同的加速度向右做匀加速直线活动，亦即5秒两例题4-4．如图5端施一大小为20N 的恒力FM 可视为质点，问木块从较远处向右活动到离定滑轮多远时加速度最大？最大加速度为多少？解析： 设当轻绳与水平方向成角θ时，对M 有A 取最大值时a 最大.利用三角函数常识有：此时木块离定滑轮的水平距离为：cm=θcot≈S25h说明：此题并不是在任何条件下都能达到上述最大加速度，当木块达到必定值时，有可能使物体离开地面，此后物体将不在沿着水平面活动.是以，F、M、μ必须满足θsinF≤Mg.此题所给数据满足上述条件，能够达到最大加速度.例题4-5．如图3所示，质量为m=1kg的物块放在倾角为的斜面体上，斜面质量为，斜面与物块间的动摩擦因数为，地面光滑，现对斜面体施一水平推力F，要使物体m绝对斜面静止，试确定推力F的取值范围.（）图3解析：此题有两个临界条件，当推力F较小时，物块有绝对斜面向下活动的可能性，此时物体受到的摩擦力沿斜面向上；当推力F较大时，物块有绝对斜面向上活动的可能性，此时物体受到的摩擦力沿斜面向下.找准临界形态，是求解此题的关键.（1）设物块处于绝对斜面向下滑动的临界形态时的推力为F1，此时物块受力如图4所示，取加速度的方向为x轴正方向.图4对物块分析，在水平方向有竖直方向有对全体有代入数值得（2）设物块处于绝对斜面向上滑动的临界形态时的推力为F2对物块分析，在水平方向有图4-6 竖直方向有， 对全体有代入数值得.综上所述可知推力F 的取值范围为：例题4-6.如图4-6所示，跨过定滑轮的轻绳两端，分别系着物体A 和B ，物体A 放在倾角为α的斜面上，已知物体A 的质量为m ，物体B 和斜面间动摩擦因数为μ（μ<t an θ），滑轮的摩擦不计，要使物体静止在斜面上，求物体B 质量的取值范围．解析：物体在斜面上可能恰好不上滑，也可能恰好不下滑，所以摩擦力可能有两个方向.以B 为研讨对象，由平衡条件得：B T m g =再以A 为研讨对象，它受重力、斜面对A 的撑持力、绳的拉力和斜面对A 的摩擦感化．假设A 处于临界形态，即A 受最大静摩擦感化，方向如图所示，根据平衡条件有：cos N mg θ=0,m m T f mg f N μ--==或：0,m m T f mg f N μ+-==综上所得，B 的质量取值范围是：(sin cos )(sin cos )B m m m θμθθμθ-≤≤+例题5-1．甲物体以=4m v s 甲做匀速直线活动，乙物体在其后面5m 22m a s =的匀加速直线活动，问乙物体是否可以追上甲物体？并求出其间距离的最大值.解法一：（1）乙物体必定可以追上甲物体.（2）用临界法分析求极值：乙物体加速至=4m v s 甲前，速度小于其前方的甲物体活动速度，此阶段其间距离不竭增大，当乙物体加速至=4m v s 甲后，速度大于其前方的甲物体活动速度，所以在尚未追上甲物体前，其间距离不竭减小，故等速时其间距离最大.令a t v ⋅=甲 解得4==22v t s a =甲 此时相距最远 解法二：（2）用抛物线顶点坐标法求极值：根据甲乙两物体各自活动规律可得出其间的距离函数222011+5424522S S v t at t t t t =⋅-=+-⨯=-++甲 422(1)t =-=-s 时 例题5-2．（宝鸡2012年二模）如图所示，质量为6kg 的小球A 与质量为3kg 的小球B ，用轻弹簧相连后在光滑水平面上共同以速度0v 向左匀速活动，在A 球与左边竖直墙壁碰后两球继续活动的过程中，弹簧的最大弹性势能为4J ，若A 球与左边墙壁碰撞前后无机械能损失，试求0v 的大小.解析：这里弹性势能最大时即簧紧缩量最大，亦即A 与左边0v 初速（碰墙壁无机械能损失）向右减速活动，B 仍觉得0v 初速向左减速，但B 球质量小先减至零又反向向右加速活动，二者均向右活动等速时其间距离最小，此时簧的弹性势能最大.因为碰墙壁后向右活动过程A+B 零碎总动量守恒，如果选向右为正方向则又因为碰墙壁后向右活动过程A+B （含簧）零碎总机械能守恒则联立求解并代入数值得01m v s = （13AB m v s =） 例题5-3．（90年全国卷）在光滑的水平轨道上有两个半径都是r 的小球A 和B ，质量分别为m 和2m ，当两球心间距离大于L （L 比2r 大得多）时，两球之间无彼此感化力；当两球心间距离等于或小于L 时，两球间存在彼此感化的恒定斥力F.设A 球从阔别B 球处以速度0v 沿两球连心线向本来静止的B 球活动，如图12-2所示，欲使两球不发生接触，0v 必须满足什么条件解析 ： 据题意，当A 、B 两球球心间距离小于L 时，两球间存在彼此感化的恒定斥力F.故A 减速而B 加速.B A v v >时，A 、B 间距离减小；当B A v v <时，B A v v =时，A 、B 相A 、B 间距离增大.可见，当距比来.若此时A 、B 间距离r x 2>，则A 、B 不发生接触（图12-3）.上述形态即为所寻觅的临界形态，B A v v =时r x 2>则为临界条件.两球不接触的条件是：B A v v = （1） 2B A L S S r +- （2）A v 、B v 为两球间距离最小时，A 、B球的速度；A S 、B S为两球间距离从L 变至最小的过程中，A 、B 球通过的路程. 设0v 为A 球的初速度，对于A+B 零碎由动量守恒定律得 B A mv mv mv 20+= （3）对于A 球由动能定律得022011cos18022A A F S mv mv ⋅=- （4） 对于B球由动能定律得 021cos0(2)2B B F S m v ⋅= （5） 联立解得：m r L F v )2(30-<评析 本题的关键是准确找出两球“不接触”的临界形态，为B A v v =且此时r x 2>例题6．（09年江苏卷）如图所示，两质量相等的物块A 、B 通过一轻质弹簧连接，B 足够长、放置在水平面上，所有接触面均光滑.弹簧开始时处于原长，活动过程中始终处在弹性限制内.在物块A 上施加一个水平恒力，A 、B 从静止开始活动到第一次速度相等的过程中，以下说法中准确的有 （ ）A ．当A 、B 加速度相等时，零碎的机械能最大B ．当A 、B 加速度相等时，A 、B 的速度差最大C ．当A 、B 的速度相等时，A 的速度达到最大D ．当A 、B 的速度相等时，弹簧的弹性势能最大解析：分析本题的关键是对物体进行受力分析和活动过程分析，使用图象处理则可以使成绩更加简单.A 、B 物块在水平方向受力如右图上下，F 1为弹簧的拉力.A 从静止开始向右做加速度减小的变加速直线活动，B 从静止开始向右做加速度增大的变加速直线活动，当两物块加速度相等时它们的速度差最大（因为该阶段A 速度的添加值老是大于B 速度的添加值），————选B.该过程可视为B 板后沿(质点)追击A 物块，因为前面A 物体的速度老是大于后面B 物体的速度，所以其间距离不竭增大（同一时间内A 物的位移老是大于B 物的位移），当两物体等速时其间距离最大即弹簧伸长量最大，所以弹簧的弹性势能最大.————选D据前分析该过程A 物体始终做加速度减小的加速活动（B 物也始终加速但加速度增大），这类活动不断持续到A 物体加速度减为零（此时B 物体加速度增至F/m ），即A 物体速度单调添加，故末时刻速度最大.————选C.又因外力F 不竭做正功，所以零碎机械能不竭增大，末时刻机械能最大.————排除A. 1t 时刻2A B F a a m ==2t 时刻A B v v =且A 物加速度=0例题7-1．消防队员为了缩短下楼时间，常常抱着竖立于地面的竖直滑杆直接滑下（设滑杆在水平方向不克不及挪动），假设一位质量为60kg 的消防队员从离地面18m 的七楼抱着竖直的滑杆以最短的时间滑下.已知消防队员的手和脚对杆之间的压力最大为1800N ，手和脚与滑杆之间动摩擦因数为0.5，消防队员着地的速度不克不及大于6m/s ，当地的重力加（1）消防队员下滑的最短时间？（2）消防队员下滑过程中最大速度？解法一（基本不等式极值法）：设消防队员先做自在落体活900N 大于重力600N减速至=6m/s ，则下滑时间且..② 又依牛顿第二定律知消防队员减速下滑的加速度最大值为..③ 将②③式代入①式并清算有即消防队员下滑的最短时间为2.4 s ，即加速1.2s 、匀速0s 、减速1.2s.（2）消防队员下滑的最大速度即自在落体段下滑的末速度解法二18m ，这类临界形态的v-t 图像如下图中实线OAB 所示，其与横轴所围成的图形“面积”恰好为18m ，明显其他任意一个含有匀速活动段的图形若面积与其相等(例如OPQM)，则底边长度必大于24s.所以先加速后减速两头无匀速活动段，历时最短.例题7-2．（06年上海卷） (辨析题):请求摩托车由静止开始在尽量短的时间内走完一段直道，然后驶入一段半圆形的弯道，但在弯道上行驶时车速不克不及太快，以避免因离心感化而偏出车道，求摩托车在直道上行驶所用的最短时间.有关数据见表1.某同学是如许解的：要使摩托车所用时间最短，应先由静，然后再减速，你认为这位同学的解法是否合理?若合理，请完成计算；若分歧理，请说明理由，并用你本人的方法算出准确结果.解析：故分歧理.40），又以加速度218m 的直道距离行驶，即为最短时间.例题7-3．（2013年宝鸡市一检试题）如图所示，水平地面上有A 、B 两点，且两点间距离LAB=15m ，质量m=2kg 的物体（可视为质点）静止在A 点，为使物体活动到B 点，现给物体施加一水平F =10N 的拉力，求拉力F 感化的最短时间.（已知地面与物块的滑动摩擦因数μ=0.2，g 取10m/s2） 解析：可证要使F 感化时间最短，则F B 点恰好停止（证实见后）.设匀加速直线活动的加速度为a1可得：（1）（2）设撤去F（3）（4）（5）（6）（7）证实：设恒力F滑行段-2，设滑行段末即恒力感化时间最小须要2s.亦即滑行至末速恰好为零所需的时间为2s (也可通过v-t图像证略).例题8．距离甲车S度坚持不变，为了确保两车不相撞，乙车做匀减速直线活动的加速度大小至多为多大？解法一：.设则20=v v at -乙令201==v v at v -乙 解得210v v t a-=又因为21101=v v s v t v a -=⋅甲2222212121200211s =()222v v v v v v v t at v a a a a----=⋅-⋅=乙 令+s s s =乙甲 解得221()2v v a s-=解法二：以甲车为参照物，乙车的绝对初速度为21v v -，设加速度（亦即绝对加速度）为a绝对末速度为0，绝对位移为S ，则有2221()02v v as --=所以 221()2v v a s-=例题9．如图所示，竖直放置的U 形导轨宽为L ，上端串有电阻R （其余导体部分的电阻都忽略不计）.磁感应强度为B 的匀强磁场方向垂直于纸面向外.金属棒ab 的质量为m ，与导轨接触良好，不计摩擦.从静止释放后ab 坚持水平下滑.试求ab 下滑的最大速度m v .解析：释放瞬间ab 只受重力，开始向下加速活动，只需ab 有速度，在ab 上就会发生动生电动势，在回路中就会发生电流，由左手定则知，ab 会受到向上的安培力的感化.动生电动势会随着速度的增大而不竭的增大，回路中电流就会不竭的增大，根据=F BIL 安，安培力会不竭的增大，则ab 做加速度减0F mg -=安时，其加速度就变成0，速度达到最大，开始做匀速直线活动.是以，在从变速活动形态变到匀速形态之间有一个速度达到最大的形态，此形态的临界条件就是ab 受的的重力大小等于安培力大小.捉住这个临界条件，由m gR v L B F m==22，可得22L B mgR v m = 例题10-1．如图所示，m=4kg 的小球挂在小车后壁上，细线与竖直方向成37°角.要使后壁对小球不发生力的感化小车的加速度应满足的条件？解析：小车向左加速或向右减速时，后壁对小球的感化力N 有可能减为零，这时候小球将离开后壁而“飞”起来.这时候细线跟竖直方向的夹角会改变，是以细线拉力F 的方向会改变.所以必须先求出这个临界值.分析知在该临界形态下， 小球竖直方向平衡， 则0cos37=F mg细线拉力水平分量使得小球在水平方向加速，则0sin37F ma = 联立解得 小车向左加速或向右减速的加速度大小至多为0a=g tg37⋅例题10-2.一根劲度系数为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,并使弹簧处于天然长度.如图所示.现让木板由静止开始以加速度a(a ＜g)匀加速向下挪动.求经过多长时间木板开始与物体分离.解析：以拴接于簧下的物体为研讨对象，设物体与平板全体。