内容正文:
专题突破4 动态平衡问题 平衡中的临界、极值问题
第二章 相互作用——力
核心知识 典例研析
分层训练 巩固提高
突破点一 动态平衡问题
突破点二 平衡中的临界、极值问题
内容索引
一
核心知识 典例研析
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突破点一 动态平衡问题
1.动态平衡
(1)所谓动态平衡问题,是指通过控制某些物理量,使物体的状态发生缓慢变化,而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态,常利用图解法解决此类问题。
(2)基本思路
化“动”为“静”,“静”中求“动”。
2.分析动态平衡问题的方法及其步骤
方法 步骤
解析法 (1)列平衡方程求出未知量与已知量的关系表达式;
(2)根据已知量的变化情况来确定未知量的变化情况
图解法 (1)根据已知量的变化情况,画出平行四边形(三角形)边、角的变化;
(2)确定未知量大小、方向的变化
方法 步骤
相似三角形法 (1)根据已知条件画出某一状态对应的力的三角形和空间几何三角形,确定对应边,利用三角形相似知识列出比例式;
(2)确定未知量大小的变化情况
考向1 解析法和图解法
[典例1] 如图所示,在粗糙水平地面上放着一个截面为四分之一圆弧的柱状物体A,A的左端紧靠竖直墙,A与竖直墙之间放一光滑圆球B。已知物体A的半径为球B的半径的3倍,球B所受的重力为G,整个装置处于静止状态。设墙壁对B的支持力为F1,A对B的支持力为F2。若把A向右移动少许后,它们仍处于静止状态,则F1、F2的变化情况分别是
( )
A.都减小 B.都增大
C.F1增大,F2减小 D.F1减小,F2增大
A
方法二 图解法
如图所示,A向右移动少许后,G与F1的方向不变,F2顺时针转动,由矢量三角形可以看出F1与F2都减小,故A正确。
考向2 相似三角形法
[典例2] (2023·四川眉山高三诊断)如图所示,木板B放置在粗糙水平地面上,轻杆一端通过一轻质铰链(未画出)与木板B固定连接,另一端固定连接一质量为m的小球A。现将轻绳一端拴在小球A上,另一端通过光滑的定滑轮由力F牵引,定滑轮位于铰链的正上方,整个系统处于静止状态。现改变力F的大小使小球A和轻杆从图示位置缓慢运动到滑轮正下方,木板始终保持静止,则在整个过程中( )
A.外力F大小不变
B.轻杆对小球的作用力大小不变
C.地面对木板的支持力逐渐变小
D.地面对木板的摩擦力逐渐增大
[答案] B
A.MN上的张力逐渐减小
B.MN上的张力先增大后减小
C.OM上的张力逐渐增大
D.OM上的张力先增大后减小
[答案] D
方法一 动态圆法
以重物为研究对象分析受力情况,重物受重力mg、OM绳的拉力F2、MN绳的拉力F1,由题意知,这三个力的合力始终为零,矢量三角形如图所示。F1、F2的夹角不变,在F2转至水平的过程中,矢量三角形在同一外接圆上,由图可知,MN上的张力F1逐渐增大,OM上的张力F2先增大后减小,所以D正确,A、B、C错误。
方法二 正弦定理法
把三个力F1、F2、G放在一个矢量三角形中,如图所示。
突破点二 平衡中的临界、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”“恰能”“恰好”等,临界问题常见的种类:
(1)由静止到运动,摩擦力达到最大静摩擦力。
(2)绳子恰好绷直,拉力F=0。
(3)两个接触的物体分离,弹力FN=0。
2.极值问题
平衡中的极值问题,一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题。
3.解题方法
(1)极限法:首先要正确地进行受力分析和变化过程分析,找出平衡的临界点和极值点;临界条件必须在变化中去寻找,不能停留在一个状态来研究临界问题,而要把某个物理量推向极端,即极大和极小。
(2)数学分析法:通过对问题的分析,根据物体的平衡条件写出物理量之间的函数关系(或画出函数图像),用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值)。
(3)物理分析方法:根据物体的平衡条件,作出力的矢量图,通过对物理过程的分析,利用平行四边形定则进行动态分析,确定最大值与最小值。
[典例4] 如图所示,物体的质量为m=5 kg,两根轻细绳AB和AC的一端固定于竖直墙上,另一端系于物体上(∠BAC=θ=60°)。在物体上另施加一个方向与水平线也成θ角的拉力F,若要使两绳都能伸直,求拉力F的大小范围。(g取10 m/s2)
C
二
分层训练 巩固提高
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【A级 夯实基础】
1.(2023·四川成都三模)2023年2月18日,首届中国(海南)东坡文化旅游大会开幕式在海口举行。开幕式上悬挂了许多大红灯笼。如图所示,重力为G的灯笼用细绳悬挂,在水平风力F的作用下偏离竖直方向一定的角度,并保持静止,此时细绳对灯笼的拉力为T,则( )
A.T=G
B.F与T的合力与G相同
C.若F增大,灯笼重新平衡时,则T也增大
D.若F增大,灯笼重新平衡时,则F与T的合力也增大
C
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灯笼受竖直向下的重力G、水平风力F和沿绳方向的拉力T,如图所示。
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2.如图所示,某健身爱好者利用如下装置锻炼自己的臂力和腿部力量。在O点悬挂重物C,手拉着轻绳且始终保持绳索平行于粗糙的水平地面。当他缓慢地向右移动时,下列说法正确的有( )
A.绳OA拉力大小不变
B.绳OB拉力变大
C.健身者与地面间的摩擦力变小
D.绳OA、OB拉力的合力变大
B
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3.(2023·四川高三德阳五中校考)如图甲所示,用瓦片做屋顶是我国建筑的特色之一。铺设瓦片时,屋顶结构可简化为图乙所示,建筑工人将瓦片轻放在两根相互平行的檩条正中间,此时瓦片能静止在檩条上。已知檩条间距离为d,以下说法正确的是( )
A.减小檩条间的距离d时,瓦片可能会下滑
B.减小檩条的倾斜角度θ时,瓦片与檩条间
的弹力变小
C.增大檩条间的距离d时,瓦片与檩条间的摩擦力变大
D.增大檩条间的距离d时,瓦片与檩条间的弹力变小
A
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檩条对瓦片的两个弹力等大,合力等于mg cos θ,当减小檩条间的距离d时,两弹力夹角减小,则弹力减小,最大静摩擦力减小,瓦片可能会下滑,A正确;
减小檩条的倾斜角度θ时,则mg cos θ增大,瓦片与檩条间的弹力变大,B错误;
增大檩条间的距离d时,两弹力夹角增大,
则弹力增大,但摩擦力等于mg sin θ不变,
C、D错误。
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4.(多选)如图所示,质量均为m的小球A、B用劲度系数为k1的轻弹簧相连,B球用长为L的细绳悬挂于O点,A球固定在O点正下方。当小球B平衡时,细绳所受的拉力为FT1,弹簧的弹力为F1;现把A、B间的弹簧换成原长相同但劲度系数为k2(k2>k1)的另一轻弹簧,在其他条件不变的情况下仍使系统平衡,此时细绳所受的拉力为FT2,弹簧的弹力为F2。下列关于FT1与FT2、F1与F2大小的比较,正确的是( )
A.FT1>FT2 B.FT1=FT2
C.F1<F2 D.F1=F2
BC
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5.(2023·广东佛山二模)如图所示,某同学将一橡皮擦轻放在塑料尺的一端,并将该端伸出桌面边缘。塑料尺缓慢向外移动,弯曲程度变大,橡皮擦相对塑料尺始终保持静止,则在此过程中橡皮擦对尺子的( )
A.压力增大
B.压力减小
C.摩擦力不变
D.摩擦力减小
B
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将橡皮擦所在位置等效为沿塑料尺切线方向的一个斜面,斜面倾角为θ,对橡皮擦进行分析,如图所示,
则有Ff=mg sin θ,FN=mg cos θ
根据牛顿第三定律有Ff′=Ff,FN′=FN
在橡皮擦离桌边越来越远,塑料尺也越来越弯曲的过程中,等效斜面倾角θ逐渐增大,可知Ff′增大,FN′减小,即橡皮擦对尺子的压力减小,橡皮擦对尺子的摩擦力增大。故选B。
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6.如图所示,在竖直放置的穹形支架上,一根长度不变且不可伸长的轻绳通过轻质光滑滑轮悬挂一重物G。现将轻绳的一端固定于支架上的A点,另一端从B点沿支架缓慢地向C点靠近(C点与A点等高),则在此过程中绳中拉力( )
A.先变大后不变 B.先变大后变小
C.先变小后不变 D.先变小后变大
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其中d为两端点间的水平距离,由B点向C点移动过程中,d先变大后不变,因此θ先变大后不变,由①式可知绳中拉力先变大后不变,故A正确。
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7.(2023·四川南充高级中学高三诊断)无人酒店是利用智能机器人进行全程服务的,如图为一机器人将身体倚靠在光滑的竖直墙面上休息的情形。A处为脚踝,B处为胯部,均看作光滑的铰链,AB为双腿,可看作轻杆,脚部(重力不计)与地面间的动摩擦因数为μ,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。若机器人接到工作指令欲收脚起身,使脚踝向右移动,在双腿慢慢变陡的过程中,下列说法正确的是( )
A.脚受到地面的支持力越来越小
B.脚受到地面的摩擦力越来越大
C.双腿承受的压力越来越大
D.后背受到墙面的支持力越来越小
D
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都逐渐减小,即双腿承受的压力越来越小,后背受到墙面的支持力越来越小,故C错误,D正确;对机器人整体受力分析,根据平衡条件可知脚受到地面的摩擦力与F2大小相等,脚受到地面的支持力与机器人的总重力大小相等,所以脚受到地面的摩擦力越来越小,脚受到地面的支持力不变,故A、B错误。
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【B级 能力提升】
8.(2023·湖南长沙模拟)如图所示,一个倾角为30°、底面粗糙、斜面光滑的斜面体放在粗糙的水平面上,斜面体的质量为2m。轻绳的一端固定在天花板上,另一端系住质量为m的小球,整个系统处于静止状态,轻绳与竖直方向的夹角也为30°。若滑动摩擦力等于最大静摩擦力,则斜面体与水平面间的动摩擦因数至少为( )
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9.(2023·四川成都树德中学三模)工人用如图所示的装置匀速吊起石球,装置底部ABCD为圆形绳套,A、B、C、D是圆上四等分点,侧面OA、OB、OC、OD是四条完全相同、不可伸长的轻绳。O点在石球球心正上方0.5 m处,石球半径为0.3 m,石球表面光滑、重力大小为G。下列说法正确的是( )
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10.(2022·河北卷)如图,用两根等长的细绳将一匀质圆柱体悬挂在竖直木板的P点。将木板以底边MN为轴向后方缓慢转动直至水平,绳与木板之间的夹角保持不变,忽略圆柱体与木板之间的摩擦。在转动过程中( )
A.圆柱体对木板的压力逐渐增大
B.圆柱体对木板的压力先增大后减小
C.两根细绳上的拉力均先增大后减小
D.两根细绳对圆柱体拉力的合力保持不变
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设两绳子对圆柱体的拉力的合力为FT,木板对圆柱体的支持力为FN,从右向左看如图所示。
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12.如图所示,质量为m的物体放在一固定斜面上,当斜面倾角为30°时恰能沿斜面匀速下滑。对物体施加一大小为F、方向水平向右的恒力,物体可沿斜面匀速向上滑行。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,当斜面倾角增大并超过某一临界角θ0时,不论水平恒力F多大,都不能使物体沿斜面向上滑行,求:
(1)物体与斜面间的动摩擦因数;
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(2)这一临界角θ0的大小。
答案:(2)60°
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