临界问题的处理办法:
1、找临界状态
(1)做好受力分析、运动过程分析和状态分析,抓运动过程中的“转折点”。
(2)利用假设法讨论,假设某命题成立,推理或判断物体的状态是否会发生突变。
2、分析隐含条件
(1)弹力的突变
(2)摩擦力的突变。
一、和绳子拉力相联系的临界情况
例1、小车在水平路面上加速向右运动,一质量为m的小球用一条水平线和一条斜线(与竖直方向成30°角)把小球系于车上,求下列情况下,两绳的拉力:
(1)加速度;
(2)加速度。
解析:小车处于平衡态(a=0)对小球受力分析如下图所示。
当加速度a由0逐渐增大的过程中,开始阶段,因m在竖直方向的加速度为0,角不变,不变,那么,加速度增大(即合外力增大),OA绳承受的拉力必减小。当时,m存在一个加速度,物体所受的合外力是的水平分力。当时,a增大,(OA绳处于松弛状态),在竖直方向的分量不变,而其水平方向的分量必增加(因合外力增大),角一定增大,设为a。
当时,。
当,有:
(1)
(2)
解得
当,有:
。
二、和静摩擦力相联系的临界情况
例2、质量为m=1kg的物体,放在=37°的斜面上如下图所示,物体与斜面的动摩擦因数,要是物体与斜面体一起沿水平方向向左加速运动,则其加速度多大?
解析:当物体恰不向下滑时,受力分析如下图所示,
解得
当物体恰不向上滑时,受力分析如下图所示,
解得
因此加速度的取值范围为:
。
三、和滑动摩擦力相联系的临界条件
例3、如下图所示,传送带与地面的倾角为,从A到B的长度16m,传送带以10m/s的速率逆时针方向转动,在传送带上端无初速地放一个质量为的物体,它与传送带之间的动摩擦因数为0.5,求物体从A到B所需的时间是多少?()
解析:,物体的初速为零,开始阶段,物体速度小于传送带的速度,物体相对于传送带斜向上运动,其受到的滑动摩擦力斜向下,下滑力和摩擦力的合力使物体产生加速度,物体做初速度为零的匀加速运动。
当物体与传送带速度相等的瞬时,物体与传递带之间的摩擦力为零,但物体在下滑力的作用下仍要加速,物体的速度将大于传送带的速度,物体相对于传送带向斜向下的方向运动,在这一时刻摩擦力方向将发生突变,摩擦力方向由斜向下变为斜向上。物体的下滑力和所受的摩擦力的合力使物体产生了斜向下的加速度,由于下滑力大于摩擦力,物体仍做匀加速运动。
因,物体的初速为零。开始阶段,物体相对于传送带斜向上运动,其受到的滑动摩擦力斜向下,下滑力和摩擦力的合力使物体产生加速度,物体做初速度为零的匀加速运动。
根据牛顿第二定律
物体的速度与传送带速度相等需要的时间为
物体下滑的位移为
由于,物体在重力的作用下继续加速,当物体的速度大于传送带的速度时,传送带给物体一斜向上的滑动摩擦力。根据牛顿第二定律,得
设后一阶段物体滑至底端所用的时间为,由运动学公式得
解得
所以,物体由A到B所用时间为。
四、和弹簧弹力相联系的临界条件
例4、如下图所示,两块质量分别为和的物块,用劲度系数为的轻弹簧连在一起,放在水平面上,将物块1下压一段距离后释放,它在做简谐运动,在运动过程中,物块2始终没有离开水平面,且对水平面的最小压力为零,则物块l的最大加速度的大小是多大?物块2对水平面的最大压力是多大?
解析:以物块1为研究对象,弹簧对物块1的弹力和物块1的重力的合力是物块1做简谐运动的恢复力。弹簧弹起的初阶段,弹簧处于被压缩状态,向上的弹力大于重力,物块1向上做变加速运动,加速度逐渐减小,其方向竖直向上。当弹力等于重力时,物块1的加速度为零,而速度达到最大(平衡位置)。然后,弹簧处于伸长状态,物块1受到的弹力向下,弹力逐渐增大,加速度逐渐增大,达到最高点时,加速度最大,方向竖直向下。当物块1下落至最低点时,物块1的加速度也达到最大值,但方向竖直向上。
以物块2为研究对象,根据题设条件可知,当物快1达到最高点时,物块1受到的向下的弹力最大,此时,物块2受到的向上的弹力也最大,使地面对物块2的支持力为零。当物块1落至最低点时,其加速度与最高点的加速度等值反向,弹簧对物块1的弹力(方向向上)。此时,弹簧对物块2的弹力也最大,方向竖直向下,因此,物块2对地面的压力达到最大值。
(1)研究物块1上升的过程。
以物块1为研究对象,物块1在最高点处,加速度最大,且方向竖直向下,,最大。
以物块2为研究对象,最大时,
,所以物块1的最大加速度为。
(2)研究物块1下落的过程。
物块1落至最低点处,其受到向上的弹力最大,加速度达到最大值,但方向竖直向上(简谐振动的对称性)。
对物块2受力分析,,根据牛顿第三定律,物块2对地面的压力的大小为
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