第2章 专题突破3 动态平衡 平衡中的临界、极值问题(课件PPT)-【高考领航】2027年高考物理大一轮复习学案
2026-07-16
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教辅
资源信息
| 学段 | 高中 |
| 学科 | 物理 |
| 教材版本 | - |
| 年级 | 高三 |
| 章节 | - |
| 类型 | 课件 |
| 知识点 | 共点力的平衡 |
| 使用场景 | 高考复习-一轮复习 |
| 学年 | 2027-2028 |
| 地区(省份) | 全国 |
| 地区(市) | - |
| 地区(区县) | - |
| 文件格式 | PPTX |
| 文件大小 | 4.68 MB |
| 发布时间 | 2026-07-16 |
| 更新时间 | 2026-07-16 |
| 作者 | 山东中联翰元教育科技有限公司 |
| 品牌系列 | 高考领航·高考一轮复习 |
| 审核时间 | 2026-07-16 |
| 下载链接 | https://m.zxxk.com/soft/58794748.html |
| 价格 | 3.00储值(1储值=1元) |
| 来源 | 学科网 |
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摘要:
该高中物理高考复习课件聚焦“动态平衡、平衡中的临界与极值问题”专题,依据高考评价体系梳理了动态平衡的解析法、图解法等四大方法及临界极值的极限法等三大解题策略,结合2024山东卷、2025江苏模拟等真题实例,明确动态平衡占力学选择题30%、临界极值占计算题25%的高频考点分布,构建完整备考体系。
课件亮点在于“方法建模+真题精析+素养提升”的复习路径,如用图解法分析2026江苏苏州月考小球受力变化,培养科学思维中的模型建构能力,通过2024山东卷临界问题实例强化科学推理。特设“易错警示”和“限时训练”,助力学生掌握动态平衡矢量三角形分析等得分技巧,教师可据此精准突破考点,提升复习效率。
内容正文:
专题突破3 动态平衡 平衡中的临界、极值问题
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突破点一
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突破点二
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限时规范训练
栏
目
导
引
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突破点一
物体的动态平衡
1.动态平衡是指物体的受力情况缓慢发生变化,但在变化过程中,每一个状态均可视为平衡状态。
2.常用方法:解析法、图解法、相似三角形法、正弦定理法等。
方法1 解析法的应用
(1)对研究对象进行受力分析,画出受力示意图。
(2)根据物体的平衡条件列式,得到因变量与自变量的关系表达式(通常要用到三角函数)。
(3)根据自变量的变化确定因变量的变化。
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(2026·广东茂名模拟)如图所示,一重力为G的灯笼用轻质细绳悬挂在屋檐下方,在水平风力的作用下,细绳偏离竖直方向θ角后保持静止。不考虑灯笼受到的空气浮力,下列说法正确的是( )
A.灯笼所受细绳的拉力是由于灯笼发生微小形变产生的
B.水平风力可能大于细绳的拉力
C.水平风力不可能大于重力
D.若水平风力增大,细绳的拉力一定增大
D
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解析:D 灯笼所受细绳的拉力是由于细绳发生微小形变产生的,故A错误;对灯笼受力分析如图所示,可知水平风力F小于细绳的拉力FT,水平风力F可能大于重力G,故BC错误;根据FT=,可知当水平风力F增大时,细绳的拉力FT一定增大,故D正确。
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方法2 图解法的应用
(1)用图解法分析物体动态平衡问题时,一般是物体只受三个力作用,且其中一个力大小、方向均不变,另一个力的方向不变,第三个力大小、方向均变化。
(2)根据已知量的变化情况,画出不同状态下平行四边形边、角的变化。
(3)根据边长的变化判断力的大小的变化,根据角度的变化判断力的方向的变化。
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(2026·江苏苏州实验学校月考)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A物体的半径为球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
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解析:A 先根据平衡条件和平行四边形定则画出如图所示的矢量三角形,把A右移少许,θ角减小;在θ角减小的过程中,从图中可以直观地看出,F1、F2都会减小,故A正确。
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方法3 相似三角形法的应用
(1)物体受三个力平衡,其中一个力恒定,另外两个力的方向同时变化,当所作“力的矢量三角形”与空间的某个“几何三角形”相似时,可利用相似三角形对应边成比例进行分析。
(2)根据已知量的变化判断未知量的变化情况。
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(2026·宁夏银川模拟)如图所示,竖直墙壁O处用光滑铰链铰接一轻质杆的一端,杆的另一端固定小球(可以看成质点),轻绳的一端悬于P点,另一端与小球相连。已知轻质杆长度为R,轻绳的长度为L,且R<L<2R。A、B是墙上两点,且OA=OB=R。现将轻绳的上端点P沿墙壁缓慢下移至A点,此过程中轻绳对小球的拉力F1及轻质杆对小球的支持力F2的大小变化情况为( )
A.F1和F2均增大 B.F1保持不变,F2先增大后减小
C.F1和F2均减小 D.F1先减小后增大,F2保持不变
A
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解析:A 小球受重力、轻绳的拉力和支持力,由于平衡,三个力可以构成矢量三角形,如图所示,根据平衡条件,该力的矢量三角形与几何三角形POC相似,则有,解得F1=G,当P点下移时,PO减小,L、R不变,故F1增大,F2增大,故选项A正确。
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方法4 正弦定理法(辅助圆法)的应用
(1)特点:物体受三个共点力,这三个力其中有一个力为恒力,另外两个力都变化,且两个变化的力的夹角不变。
(2)正弦定理法:(其中α1、α2、α3分别为F2与F3、F1与F3、F1与F2的夹角)。
(3)利用辅助圆,恒力为圆的一条弦,恒力所对应角的顶点在圆上移动,可保持圆心角不变,根据不同位置判断各力的大小变化。
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(多选)(一题多解)(经典高考题)如图,柔软轻绳ON的一端O固定,其中间某点M拴一重物,用手拉住绳的另一端N。初始时,OM竖直且MN被拉直,OM与MN之间的夹角为α。现将重物向右上方缓慢拉起,并保持夹角α不变。在OM由竖直被拉到水平的过程中( )
A.MN上的张力逐渐增大
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
AD
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解析:AD 方法一:以重物为研究对象分析受力情况,受重力mg、OM绳上拉力F2、MN绳上拉力F1,由题意知,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A、D正确,B、C错误。
方法二(正弦定理法):根据正弦定理,
mg与sin θ3保持不变,sin θ1变大,F1变大,sin θ2先增大后
减小,F2先增大后减小,故选A、D。
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分析动态平衡问题的流程
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突破点二
平衡中的临界、极值问题
1.临界、极值问题特征
(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。
①由静止到运动,摩擦力达到最大静摩擦力。
②绳子恰好绷紧,拉力F=0。
③刚好离开接触面,支持力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。
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2.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,要把某个物理量推向极端,即极大或极小。
(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。
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角度1 临界问题
(2024·山东卷,2)如图所示,国产人形机器人“天工”能平稳通过斜坡。若它可以在倾角不大于30°的斜坡上稳定地站立和行走,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则它的脚和斜面间的动摩擦因数不能小于
( )
A. B.
C.
B
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解析:B 斜坡倾角越大,“天工”越容易下滑,只要保证“天工”在30°倾角的斜坡上不下滑,在小于30°倾角的斜坡上更不会下滑,对30°倾角的斜坡上的“天工”受力分析,有μmg cos 30°≥mg sin 30°,解得μ≥,B正确。
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(2025·江苏南京师大苏州实验学校二检)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)
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解析:设AB绳的拉力为F1,AC绳的拉力为F2,对物体受力分析,由平衡条件有F cos θ-F2-F1cos θ=0,
F sin θ+F1sin θ-mg=0,
可得F=
若要使两绳都能伸直,则有F1≥0,F2≥0,
则F的最大值Fmax= N,
F的最小值Fmin= N,
即拉力F的大小范围为 N≤F≤ N。
答案: N≤F≤ N
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角度2 极值问题
(一题多解)(2025·江苏南京师大苏州实验学校二检)如图所示,质量m=5.2 kg的金属块放在水平地面上,在斜向右上的拉力F作用下,向右以v0的速度做匀速直线运动。已知金属块与地面间的动摩擦因数μ=0.2,g取10 m/s2。求所需拉力F的最小值。
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解析:方法一 三角函数法
设拉力与水平方向夹角为θ,根据平衡条件有F cos θ=μ(mg-F sin θ),整理得F=,当θ=-β时F最小,故所需拉力F的最小值Fmin= N。
方法二 利用“摩擦角”法
设FN与Ff的合力F′与FN方向的夹角为α,则tan α==μ①
即F′的方向恒定,
如图所示,当拉力F与F′垂直时F有最小值
即Fmin=mg sin α②
由①②得Fmin=2 N。
答案:2 N
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在力的方向发生变化的平衡问题中求力的极小值时,一般利用三角函数求极值。也可利用“摩擦角”将四力平衡转化为三力平衡,从而求拉力的最小值。例如:如图所示,物体在拉力F作用下做匀速直线运动,改变θ大小,求拉力的最小值时,可以用支持力与摩擦力的合力F′代替支持力与摩擦力,FN与Ff的合力F′方向一定,即“摩擦角”α满足tan α==μ,则Fmin=mg sin α,此时θ=α。
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限时规范
训练(11)
(建议用时:40分钟 满分:63分)
(选择题1~7题每题5分,8~10题每题6分,共53分)
[基础分组训练]
题组1 物体的动态平衡
1.(2026·重庆育才中学开学考)如图所示,一只可视为质点的蚂蚁在半球形碗内缓慢地从底部经过b点爬到a点。则下列说法正确的是( )
A.碗对蚂蚁的摩擦力变大
B.碗对蚂蚁的支持力变大
C.碗对蚂蚁的作用力变小
D.蚂蚁所受的合力变小
A
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解析:A 蚂蚁缓慢爬行的过程可以视为始终处于平衡状态,对蚂蚁受力分析可知,蚂蚁受到重力、沿切线方向的摩擦力和垂直切线方向指向球心的支持力,设蚂蚁所在位置与球心连线与竖直方向的夹角为θ,根据受力平衡可得Ff=mg sin θ,FN=mg cos θ,从底部经过b点爬到a点,θ逐渐增大,则碗对蚂蚁的摩擦力变大,碗对蚂蚁的支持力变小,故A正确,B错误;蚂蚁处于平衡状态,所受合力一直为0,则碗对蚂蚁的作用力与重力平衡,保持不变,故C、D错误。
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C
2.(2026·江苏扬州开学考)如图所示,小球在F作用下始终处于静止状态。现保持θ不变,缓慢转动F,下列说法中正确是( )
A.细线拉力始终不变
B.F可以竖直向下
C.F可以竖直向上
D.当F转到水平位置时最小
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解析:C 以小球为研究对象,小球受到重力G、力F和细线对小球的拉力FT,由于小球静止不动,则FT与F的合力与G等值反向,如图,根据图解法可知,当拉力F与细线垂直时最小,当F竖直向上时,绳子拉力为0,故C正确。
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D
3.(2026·山东日照联考)如图所示,工人甲在高处通过定滑轮控制绳子A,工人乙站在水平地面上拉住绳子B。工人乙前进时缓慢收绳,货物Q缓慢竖直下落,绳子B与竖直方向的夹角α保持不变。不计滑轮与绳子之间的摩擦,忽略绳子质量,则( )
A.绳子A上的拉力不断变大
B.绳子B上的拉力先变小后变大
C.地面对工人乙的摩擦力先变大后变小
D.地面对工人乙的支持力不断增大
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解析:D 设绳子A与竖直方向的夹角为θ,对物体受力分析,缓慢释放的过程中,可以将物体看成处于平衡状态,根据平衡条件可得,水平方向FAsin θ=FBsin α,竖直方向FAcos θ=FBcos α+mg,解得FA=,FB=
,由题可知,θ逐渐减小,sin (α-θ)逐渐增大,则FA、FB逐渐减小,故A、B错误;对地面上的人受力分析,水平方向则有Ff=FBsin α,竖直方向则有FN+FBcos α=m乙g,由于α不变,FB减小,因此地面对工人乙的摩擦力Ff逐渐减小,对工人乙的支持力不断增大,故C错误,D正确。故选D。
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4.(多选)(2026·山东德州模拟)如图所示,轻质硬杆一端与固定在地面上的光滑铰链O相连,另一端固定一定质量的小球,站在地面上的某人用轻绳绕过处在铰链正上方的小定滑轮拉住小球。若该人拉住轻绳缓慢向左移动,不计轻绳与滑轮之间的摩擦,则在轻杆到达竖直位置之前的过程中,下列说法正确的是( )
A.绳子拉力逐渐增大
B.硬杆对小球的支持力大小不变
C.地面对人的支持力逐渐增大
D.地面对人的摩擦力逐渐增大
BC
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解析:BC 分别对小球和人受力分析如图所示。对小球,由相似三角形可知==,由于mg、h、OP不变,随着小球向上转动,L变短,故F1减小、FN1不变,A错
误,B正确;对人进行受力分析,在竖直方向上有G=FN2+F1′sin θ,F1′=F1,F1、sin θ同时减小,G不变,故FN2增大,C正确;对人进行受力分析,水平方向上有Ff=F1′cos θ,因为F1′减小,人向左移动θ减小,故cos θ增大,因此F1′cos θ无法判断,故D错误。
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B
题组2 平衡中的临界、极值问题
5.(2025·河北卷,4)如图,内壁截面为半圆形的光滑凹槽固定在水平面上,左右边沿等高。该截面内,一根不可伸长的细绳穿过带有光滑孔的小球,一端固定于凹槽左边沿,另一端过右边沿并沿绳方向对其施加拉力F。小球半径远小于凹槽半径,所受重力大小为G。若小球始终位于内壁最低点,则F的最大值为( )
A.G B.G
C.G D.G
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解析:B 如图所示为小球受力分析图,其中F=F′,内壁截面为半圆形,由几何关系得θ=45°,则F cos θ+F′cos θ+Fx=G,当Fx=0时,F有最大值,为Fm=G,B正确。
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B
6.(2026·江苏南京开学考)如图所示售票机的读卡处设计成倾角为θ的斜面。若卡片与斜面之间不存在磁力,卡片与斜面之间的动摩擦因数为μ,卡片质量为m,重力加速度为g。为使卡片不从斜面上滑落,乘客应至少沿垂直斜面方向所施加的力的大小为( )
A.mg B.mg
C.mg D.mg
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解析:B 对卡片受力分析如图所示,为使卡片不从斜面上滑落,沿斜面方向Ff=mg sin θ,垂直斜面方向FN=mg cos θ+F,又静摩擦力刚好达到最大时有Ff=μFN,联立解得F=mg,故选B。
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7.(2026·重庆实验外国语开学考)春节前夕,小明
需移开沙发,清扫污垢。质量m=10 kg的沙发放
置在水平地面上,沙发与地面间的动摩擦因数μ
=,小明用力F=100 N推沙发,认为最大静摩
擦力等于滑动摩擦力,重力加速度g取10 m/s2,下列说法错误的是( )
A.若力F斜向下与水平成θ角,当θ=30°时沙发恰好做匀速直线运动
B.若力F斜向下与水平成θ角,当θ>60°时,无论F力多大,沙发都不会动
C.若力F方向能随意改变,让沙发匀速运动,F斜向上与水平成30°时,F最小
D.若力F方向能随意改变,让沙发匀速运动,F斜向上与水平成60°时,F最小
D
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解析:D 若力F斜向下与水平成θ=30°时,地面对沙发的摩擦力大小为Ff=μ(mg+F sin 30°)=50 N,力F在水平方向的分力大小为F cos 30°=50 N,两个力大小相等方向相反,故沙发在做匀速运动,故A正确,不符题意;若力F斜向下与水平成θ角,则最大静摩擦力大小为Ff=μ(mg+F sin θ),若要物体静止不动,应该满足F cos θ≤μ(mg+F sin θ),变形得F(cos θ-μsin θ)≤μmg,如果满足cos θ-μsin θ<0,即θ>60°,则
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此时无论F多大,物体都会保持静止,B正确,不符题意;如果力F斜向上与水平成θ角,且物体做匀速运动,则有F cos θ=μ(mg-F sin θ),变形可得F=,其中sin φ=,即φ=,故当θ=时,F有最小值,故C正确,不符题意,D错误,符合题意。故选D。
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C
[创新提升训练]
8.(2025·天津和平三模)如图所示,甲、乙两建筑工人站立在固定平台边缘,用轻绳穿过光滑圆环,环下悬挂一重物,两人的手握紧轻绳,甲站在A点静止不动,乙从B点缓慢向A点移动,可将重物从平台运到地面,则在重物着地前的过程中( )
A.甲对绳子的拉力变大
B.甲受平台的摩擦力不变
C.甲受平台的支持力不变
D.绳对圆环拉力的合力变小
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解析:C 设圆环和重物的总质量为m,绳子与竖直方向的夹角为θ,根据平衡条件有2FTcos θ=mg,乙从B点缓慢向A点移动,θ逐渐减小,cos θ逐渐增大,则绳子拉力大小FT逐渐减小;由于是缓慢移动,重物处于平衡状态,绳对圆环拉力的合力等于圆环和重物的总重力,保持不变,故AD错误;以甲为对象,根据受力平衡可得Ff=FTsin θ,拉
力大小FT逐渐减小,θ逐渐减小,可知甲受平台的摩擦力变小;甲受平台的支持力FN=FTcos θ+m甲g=+m甲g,可知甲受平台的支持力不变,故B错误,C正确。
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9.(2025·山东临沂三模)如图所示,甲、乙两圆柱体的横截面分别为半径相等的圆和半圆,甲的右侧顶着一块竖直挡板,乙的平面部分与水平面接触。若乙的质量是甲的2倍,两柱体的曲面部分和挡板均光滑,开始时两圆柱体截面的圆心连线沿竖直方向。现将挡板缓慢向右
移动,直到圆柱体甲刚要落至水平面为止,整个过程中半圆柱体乙始终保持静止,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力。则乙与水平面间的动摩擦因数不能小于( )
A. C.
B
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解析:B 分析可知,当摩擦力最大时半圆柱体乙刚好不动,此时对应的动摩擦因数μ最小,且刚好达到最大静摩擦力,设甲质量为m,地面对乙的支持力、摩擦力分别为FN、Ff,挡板给甲的力为F板,整体分析可知有FN=3mg,Ff=F板,设O1O2连线与水平方向夹角为θ,对甲,
由平衡条件得F板=,故可得Ff=,可知θ越小,Ff越大,由几何关系可知,θ最小为30°,又因为Ff=μFN,联立解得动摩擦因数的最小值μ=,故选B。
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AC
10.(多选)(2026·黑龙江哈尔滨三中月考)如图,质量为
m的小滑块a静置于质量为M的粗糙斜劈b的斜面上,斜
面倾角为θ=37°,a、b间动摩擦因数μ=tan 37°,最大静摩擦力视为等于滑动摩擦力。现对a施加一与斜面始终平行的外力F,斜劈b一直静止于粗糙的水平面c上。重力加速度为g。则下列说法中正确的是( )
A.若改变外力F的大小和方向,b、c间摩擦力可能为零
B.若F=0.75mg sin 37°且为水平方向时,小滑块a仍静止
C.若F=0.75mg sin 37°且为水平方向时,则a的加速度大小为0.25g sin 37°
D.若改变外力F的大小和方向,则b对c的最小压力为Mg+2mg cos 37°
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解析:AC 若改变外力F的大小和方向,当F与重力沿
斜面分力的合力为0时,即F沿斜面向上且大小等于mg
sin 37°时,则b、c间摩擦力为零,故A正确;若F=0.75mg sin 37°,则F与重力沿斜面分力的合力为F合=mg sin 37°,由于μ=tan 37°,即Ffm=μmg cos 37°=mg sin 37°<F合,所以a已经滑动,则由牛顿第二定律有F合-Ffm=ma,解得a的加速度大小a=0.25g sin 37°,故B错误,C正确;若改变外力F的大小和方向,则对ab整体分析,当F大小一定时,F与水平面的夹角越大,b对c的压力越小,而外力F
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与斜面始终平行,结合图可知,F与水平面的夹角最大为θ,当夹角一定时,且a未滑动,F的值越大,b对c的压力越小,而当F最大为Fm=mg sin θ+Ffm=2mg sin θ,ab整体分析得Fmsin θ+FN=(m+M)g,解得FN=Mg+mg cos 74°,若a滑动后,受力分析可知,a对b的摩擦力和压力不变,则b对c的压力不变为Mg+mg cos 74°,故D错误。
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11.(10分)(2026·四川泸州纳溪中学二检)如图所示,质量为M的木楔倾角为θ,在水平面上保持静止,当将一质量为m的木块放在木楔斜面上时,它正好匀速下滑。如果用与木楔斜面成α角的力F拉着木块,木块能匀速上升,已知木楔在整个过程中始终静止。
(1)当α为多大时,F有最小值,求此时α的大小及F的最小值;
(2)当α=θ时,木楔对水平面的摩擦力是多大?
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解析:(1)木块在木楔斜面上匀速向下运动时,有mg sin θ=μmg cos θ
解得μ=tan θ
木块在F作用下沿斜面向上匀速运动,有
F cos α=mg sin θ+Ff
F sin α+FN=mg cos θ
Ff=μFN
解得F==
则当α=θ时,F有最小值,为Fmin=mg sin 2θ。
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(2)因为木块及木楔均处于平衡状态,整体受到地面的摩擦力等于F的水平分力
即Ff′=F cos (α+θ)
当α=θ,即F取最小值mg sin 2θ时
Ff′=Fmincos 2θ=mg sin 2θcos 2θ=mg sin 4θ。
答案:(1)θ mg sin 2θ (2)mg sin 4θ
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专题突破3 动态平衡 平衡中的临界、极值问题
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