临界值问题在高一物理力学中是一个常见的难点,以下是一个关于临界值问题的例题及其解答:
题目:一个质量为m的小球,在斜面和竖直墙壁的夹角为θ时静止,求小球对斜面的压力大小和斜面对小球的支持力大小。
分析:小球受到重力、斜面的支持力和墙壁的弹力,三力平衡。当θ逐渐增大时,弹力和摩擦力的方向都会发生变化,导致小球受力情况发生变化。
解答:当θ较小时,弹力和摩擦力均沿斜面向上,三力平衡,根据平衡条件可得:
N1 + mgcosθ = mgsinθ
F1 = mgcosθ
当θ增大时,弹力N2沿斜面向下,摩擦力沿斜面向上,三力平衡,根据平衡条件可得:
N2 - mgcosθ = mgsinθ
F2 = 0
此时小球对斜面的压力大小为N2,斜面对小球的支持力大小为F3 = N2 = 0。
分析临界情况:当θ为90度时,小球对斜面的压力为0,斜面对小球的支持力沿斜面向上。此时小球只受重力和弹力作用,弹力沿斜面向下。
总结:临界值问题需要仔细分析题目中的条件,找到临界状态下的受力情况,再根据平衡条件或牛顿定律求解。
相关例题:
1. 如图所示,质量为m的小球用细绳拴住,在光滑水平面上做匀速圆周运动。当细绳突然断裂后,小球将( )
A. 在原来的轨道上继续做匀速圆周运动
B. 在运动方向上的某点停下来处于静止状态
C. 在细绳断裂前圆周的切线方向上一直做匀速直线运动
D. 由于惯性而继续沿切线飞行
图示:由于绳子断裂后小球的受力情况未知,因此无法确定小球的运动轨迹。但是可以知道,当绳子断裂后,小球将不受绳子的拉力作用,因此将保持原来的速度做匀速直线运动。因此正确答案为C。
2. 如图所示,质量为m的小球用轻绳悬挂于O点,以速度v在光滑水平面上做匀速圆周运动。若拉绳断裂的瞬间小球的速度变为v/2,则此时小球在水平面上的位置与原来的位置相比( )
A. 向右移动了一段距离
B. 向左移动了一段距离
C. 小球在原位置附近振动
D. 小球在原位置重复振动
图示:由于拉绳断裂时小球的受力情况发生了变化,因此无法确定小球的运动轨迹。但是可以知道,小球在水平面上的运动受到重力和摩擦力的作用。由于小球的速度减小了,因此需要更多的向心力来维持圆周运动,因此小球需要向右移动一段距离以获得足够的向心力。因此正确答案为A。
例题:
在光滑的水平面上,有一个质量为m的物体在一个力F的作用下做匀加速直线运动。当物体速度达到v时,突然撤去力F,物体继续运动直到停止。求物体在撤去力F后的运动过程中的最大速度vm。
分析:
物体在撤去力F前的运动过程中,受到一个恒定的合外力作用,做匀加速直线运动。撤去力F后,物体受到的合外力为零,但由于惯性,物体将继续保持原来的速度v运动,这个速度就是最大速度vm。
解答:
根据牛顿第二定律,物体在撤去力F前的运动过程中,加速度为a = F/m。由于物体做匀加速直线运动,所以速度v随时间t均匀增加。当撤去力F时,物体的速度为v = at。
撤去力F后,物体受到的合外力为零,所以物体的运动是匀速直线运动,速度不变。因此,最大速度vm就是撤去力F时的速度v。
根据牛顿第二定律和匀变速直线运动规律可得:a = 0,vm = v = at。
其中t为撤去力F前的运动时间。解得:vm = v = 2v/3。
所以,物体在撤去力F后的运动过程中的最大速度为vm = 2v/3。
临界问题在高一物理中是一个常见的难点,也是高考的一个热点。解决这类问题时,要正确分析题目中所涉及的物理过程,并明确在什么条件下物理过程才能发生,正确寻找临界状态,分析临界状态时要注意挖掘题目中的关键字词,找出临界条件。
以下是一个力学临界问题的例题:
问题:一个质量为m的小球,在斜面体和竖直墙壁的共同作用下静止在竖直墙上,此时斜面体与小球间的摩擦力是多少?
分析:首先,我们需要明确小球受到重力、斜面体的支持力和墙壁的支持力,这三个力的合力使小球保持静止。
当小球与斜面体间的摩擦力为零时,小球处于临界状态。此时,小球只受到重力、斜面体的支持力和墙壁的支持力。根据力的平衡条件,这三个力的合力为零,即重力与斜面体的支持力大小相等、方向相反,而墙壁的支持力与斜面体的支持力是平衡力。
已知小球的质量为m,重力加速度为g。根据牛顿第二定律,小球的重力等于斜面体对它的支持力,即mg = N。同时,墙壁的支持力与斜面体的支持力是平衡力,因此可得到墙壁对小球的摩擦力为零。
因此,当小球与斜面体间的摩擦力为零时,摩擦力即为临界状态下的摩擦力。此时,斜面体对小球的摩擦力为零。
总结:解决临界问题时,要正确分析题目中所涉及的物理过程,并明确在什么条件下物理过程才能发生。在这个问题中,我们通过分析临界状态下的摩擦力为零的条件,得到了摩擦力的具体数值。
希望这个例子能帮助你理解临界值问题在力学中的应用。如果你有更多问题,我会很乐意为你解答。
