一轮复习:静态平衡中的临界极值问题

平衡中的极值问题一般是指在力的变化过程中出现的“最大值”和“最小值”问题,分析的关键是找出出现极值时的情景和条件,如:利用极限法将某个变量推向极

1.临界问题

某物理量发生变化,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”,在问题描述中常用“刚好”“刚能”“恰好”等语言叙述。

如:两物体刚要分离的临界条件是物体间的弹力为零;

物体间刚要发生相对滑动的临界条件是静摩擦力达到最大值。

2.极值问题

平衡中的极值问题一般是指在力的变化过程中出现的“最大值”和“最小值”问题,分析的关键是找出出现极值时的情景和条件,如:利用极限法将某个变量推向极端(“极大”“极小”等),从而把隐蔽的临界情景暴露出来;利用数学函数思想寻找极值条件,并确定相应极值等。

解决平衡中的临界极值问题通常有以下三种方法

方法一:数学分析法

根据物体的平衡条件列方程,在解方程时利用数学知识求极值.通常用到的数学知识有二次函数求极值、讨论公式求极值、三角函数求极值以及几何法求极值等。

求解物理量极值常用的数学方法:

(1)利用二次函数求极值.若物理量y与x的函数形如y=ax²+bx+c,则当x=-b/2a时,y有极值为y=(4ac-b²)/4a,若a>0,y有极小值;若a<0,y有极大值。

(2)利用不等式的性质求极值.若物理量a与b满足a>0,b>0,则a+b≥2√ab,且a=b时取等号,即a、b的和一定时,积有最大值;a、b的积一定时,和有最小值。

(3)利用三角函数求极值.若物理量y与角度θ满足y=asinθ+bcosθ,则y≤√a²+b²,令tanф=2,则当θ+ф=π/2时,y有极大值。

(4)利用导数求极值.若物理量y与x的函数为y=f(x),则根据f′(x)=0可确定y取极值时的x值,然后代入函数y=f(x)可确定y的极值。

例题:如图所示,

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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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例题:如图所示,

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用轻绳AB和CB悬挂一重物绳与天花板夹角分别为60°和30°;

(1)若物重50N,求绳AB和CB所受拉力的大小。

(2)若AB绳最大能承受18N的拉力,CB绳最大能承受12N的拉力,若保持两绳均不断,则物体最重不能超过多少?

【解析】以结点B为研究对象,B受AB、CB两根绳子拉力以及系着重物绳子的拉力(不是重力)共三个力作用而处于平衡状态。

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(1)正交分解或封闭三角形法

(2)

方法一:按比例

三力构成一个首尾相连的封闭三角形,

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18N/12N=3:2,

FA/FC=tan60°=√3:1=3:√3

相当AB绳3份力,CB绳需√3份力,CB绳能提供2份力,CB绳供大于需,当物体重力一直增加的话,AB绳子先断,所以要以AB绳为准。

mg=FA/cos30°=12√3N

方法二:任取一根绳子为标准,若AB绳子拉力为18N,则CB绳子拉力为18N×tan30°=6√3N>12N,CB绳未断;若CB绳子拉力为12N,则AB绳子拉力为18N/tan30°=18√3N>18N,AB绳断。

例题:如图,

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用一根轻质细绳将一幅重力为10N的画框对称悬挂在墙壁上,画框上两个挂钉间的距离为0.5m。已知绳能承受的最大拉力为10N,要使绳不会被拉断,绳子最短要多长?

【解析】根据三力汇交原理

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方法二:图解法

根据平衡条件作出力的矢量图,若只受三个力,则这三个力能构成封闭矢量三角形,然后根据矢量图进行动态分析,确定最大值和最小值。

例题:如图所示,

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重力都为G的两个小球A和B用三段轻绳连接后悬挂在O点上,O、B间的绳子长度是2l,A、B间的绳子长度是l。将一个拉力F作用到小球B上,使三段轻绳都伸直,同时O、A间和A、B间的两段轻绳分别处于竖直和水平方向上,则拉力F的最小值为

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例题:如图所示,

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三根长度均为L的轻绳分别连接于C、D两点,A、B两端被悬挂在水平天花板上,相距2L.现在C点上悬挂一个质量为m的重物,重力加速度大小为g,为使CD绳保持水平,在D点上可施加力的最小值为

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方法三:极限法

首先正确进行受力分析和变化过程分析,找到平衡的临界点和极值点;临界条件必须在变化中寻找,不能在一个状态上研究临界问题,要把某个物理量推向极限,即极大或极小。

例题:筷子是中国人常用的饮食工具,也是中华饮食文化的标志之一.筷子在先秦时称为“挾”,汉代时称“箸”,明代开始称“筷”.如图所示,

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用筷子夹质量为m的小球,筷子均在竖直平面内,且筷子和竖直方向的夹角均为,为使小球静止,求每根筷子对小球的压力的取值范围?已知小球与筷子之间的动摩擦因数为μ(μ<tanθ)最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度取g.

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例题:课堂上,老师准备了“L”形光滑木板和三个完全相同、外表面光滑的匀质圆柱形积木,要将三个积木按图所示(截面图)方式堆放在木板上,则木板与水平面夹角θ的最大值为()

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A.30° B.45° C.60° D.90°

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晓虹晓虹认证作者
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