臨界問題的處理辦法:
1、找臨界狀態(tài)
(1)做好受力分析、運(yùn)動(dòng)過程分析和狀態(tài)分析,抓運(yùn)動(dòng)過程中的“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。
(2)利用假設(shè)法討論,假設(shè)某命題成立,推理或判斷物體的狀態(tài)是否會(huì)發(fā)生突變。
2、分析隱含條件
(1)彈力的突變
(2)摩擦力的突變。
一、和繩子拉力相聯(lián)系的臨界情況
例1、小車在水平路面上加速向右運(yùn)動(dòng),一質(zhì)量為m的小球用一條水平線和一條斜線(與豎直方向成30°角)把小球系于車上,求下列情況下,兩繩的拉力:
(1)加速度;
(2)加速度。
解析:小車處于平衡態(tài)(a=0)對(duì)小球受力分析如下圖所示。
當(dāng)加速度a由0逐漸增大的過程中,開始階段,因m在豎直方向的加速度為0,角不變,不變,那么,加速度增大(即合外力增大),OA繩承受的拉力必減小。當(dāng)時(shí),m存在一個(gè)加速度,物體所受的合外力是的水平分力。當(dāng)時(shí),a增大,(OA繩處于松弛狀態(tài)),在豎直方向的分量不變,而其水平方向的分量必增加(因合外力增大),角一定增大,設(shè)為a。
當(dāng)時(shí),。
當(dāng),有:
(1)
(2)
解得
當(dāng),有:
。
二、和靜摩擦力相聯(lián)系的臨界情況
例2、質(zhì)量為m=1kg的物體,放在=37°的斜面上如下圖所示,物體與斜面的動(dòng)摩擦因數(shù),要是物體與斜面體一起沿水平方向向左加速運(yùn)動(dòng),則其加速度多大?
解析:當(dāng)物體恰不向下滑時(shí),受力分析如下圖所示,
解得
當(dāng)物體恰不向上滑時(shí),受力分析如下圖所示,
解得
因此加速度的取值范圍為:
。
三、和滑動(dòng)摩擦力相聯(lián)系的臨界條件
例3、如下圖所示,傳送帶與地面的傾角為,從A到B的長(zhǎng)度16m,傳送帶以10m/s的速率逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),在傳送帶上端無初速地放一個(gè)質(zhì)量為的物體,它與傳送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5,求物體從A到B所需的時(shí)間是多少?()
解析:,物體的初速為零,開始階段,物體速度小于傳送帶的速度,物體相對(duì)于傳送帶斜向上運(yùn)動(dòng),其受到的滑動(dòng)摩擦力斜向下,下滑力和摩擦力的合力使物體產(chǎn)生加速度,物體做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)物體與傳送帶速度相等的瞬時(shí),物體與傳遞帶之間的摩擦力為零,但物體在下滑力的作用下仍要加速,物體的速度將大于傳送帶的速度,物體相對(duì)于傳送帶向斜向下的方向運(yùn)動(dòng),在這一時(shí)刻摩擦力方向?qū)l(fā)生突變,摩擦力方向由斜向下變?yōu)樾毕蛏?。物體的下滑力和所受的摩擦力的合力使物體產(chǎn)生了斜向下的加速度,由于下滑力大于摩擦力,物體仍做勻加速運(yùn)動(dòng)。
因,物體的初速為零。開始階段,物體相對(duì)于傳送帶斜向上運(yùn)動(dòng),其受到的滑動(dòng)摩擦力斜向下,下滑力和摩擦力的合力使物體產(chǎn)生加速度,物體做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)牛頓第二定律
物體的速度與傳送帶速度相等需要的時(shí)間為
物體下滑的位移為
由于,物體在重力的作用下繼續(xù)加速,當(dāng)物體的速度大于傳送帶的速度時(shí),傳送帶給物體一斜向上的滑動(dòng)摩擦力。根據(jù)牛頓第二定律,得
設(shè)后一階段物體滑至底端所用的時(shí)間為,由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得
解得
所以,物體由A到B所用時(shí)間為。
四、和彈簧彈力相聯(lián)系的臨界條件
例4、如下圖所示,兩塊質(zhì)量分別為和的物塊,用勁度系數(shù)為的輕彈簧連在一起,放在水平面上,將物塊1下壓一段距離后釋放,它在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過程中,物塊2始終沒有離開水平面,且對(duì)水平面的最小壓力為零,則物塊l的最大加速度的大小是多大?物塊2對(duì)水平面的最大壓力是多大?
解析:以物塊1為研究對(duì)象,彈簧對(duì)物塊1的彈力和物塊1的重力的合力是物塊1做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)力。彈簧彈起的初階段,彈簧處于被壓縮狀態(tài),向上的彈力大于重力,物塊1向上做變加速運(yùn)動(dòng),加速度逐漸減小,其方向豎直向上。當(dāng)彈力等于重力時(shí),物塊1的加速度為零,而速度達(dá)到最大(平衡位置)。然后,彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài),物塊1受到的彈力向下,彈力逐漸增大,加速度逐漸增大,達(dá)到最高點(diǎn)時(shí),加速度最大,方向豎直向下。當(dāng)物塊1下落至最低點(diǎn)時(shí),物塊1的加速度也達(dá)到最大值,但方向豎直向上。
以物塊2為研究對(duì)象,根據(jù)題設(shè)條件可知,當(dāng)物快1達(dá)到最高點(diǎn)時(shí),物塊1受到的向下的彈力最大,此時(shí),物塊2受到的向上的彈力也最大,使地面對(duì)物塊2的支持力為零。當(dāng)物塊1落至最低點(diǎn)時(shí),其加速度與最高點(diǎn)的加速度等值反向,彈簧對(duì)物塊1的彈力(方向向上)。此時(shí),彈簧對(duì)物塊2的彈力也最大,方向豎直向下,因此,物塊2對(duì)地面的壓力達(dá)到最大值。
(1)研究物塊1上升的過程。
以物塊1為研究對(duì)象,物塊1在最高點(diǎn)處,加速度最大,且方向豎直向下,,最大。
以物塊2為研究對(duì)象,最大時(shí),
,所以物塊1的最大加速度為。
(2)研究物塊1下落的過程。
物塊1落至最低點(diǎn)處,其受到向上的彈力最大,加速度達(dá)到最大值,但方向豎直向上(簡(jiǎn)諧振動(dòng)的對(duì)稱性)。
對(duì)物塊2受力分析,,根據(jù)牛頓第三定律,物塊2對(duì)地面的壓力的大小為
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