粤教版 (2019)必修 第一册第五节 牛顿运动定律的应用学案设计

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[学习目标] 1.掌握动力学临界问题的分析方法.2.会分析几种典型临界问题的临界条件.
1.临界问题：某种物理现象(或物理状态)刚好要发生或刚好不发生的转折状态.
2.关键词语：在动力学问题中出现的“最大”“最小”“刚好”“恰好”等词语，一般都暗示了临界状态的出现，隐含了相应的临界条件.
3.临界问题的常见类型及临界条件
(1)接触与脱离的临界条件：两物体间的弹力恰好为零.
(2)相对静止或相对滑动的临界条件：静摩擦力达到最大静摩擦力.
(3)绳子断裂与松弛的临界条件：绳子所能承受的张力是有限的，绳子断裂的临界条件是实际张力等于它所能承受的最大张力，绳子松弛的临界条件是张力为零.
(4)加速度最大、最小与速度最大、最小的临界条件：当所受合力最大时，具有最大加速度；当所受合力最小时，具有最小加速度.当出现加速度为零时，物体处于临界状态，对应的速度达到最大值或最小值.
4.解答临界问题的三种方法
(1)极限法：把问题推向极端，分析在极端情况下可能出现的状态，从而找出临界条件.
(2)假设法：有些物理过程没有出现明显的临界线索，一般用假设法，即假设出现某种临界状态，分析物体的受力情况与题设是否相同，然后再根据实际情况处理.
(3)数学法：将物理方程转化为数学表达式，如二次函数、不等式、三角函数等，然后根据数学中求极值的方法，求出临界条件.
一、接触与脱离的临界问题
如图1所示，质量m＝1 kg的光滑小球用细线系在质量为M＝8 kg、倾角为α＝30°的斜面体上，细线与斜面平行，斜面体与水平面间的摩擦不计，g取10 m/s2.求：
图1
(1)若用水平向右的力F拉斜面体，要使小球不离开斜面，拉力F的最大值；
(2)若用水平向左的力F′推斜面体，要使小球不沿斜面滑动，推力F′的最大值.
答案 (1)90eq \r(3) N (2)30eq \r(3) N
解析 (1)小球不离开斜面体，两者加速度相同、临界条件为斜面体对小球的支持力恰好为0，对小球受力分析如图甲
由牛顿第二定律得eq \f(mg,tan 30°)＝ma，解得a＝eq \f(g,tan 30°)＝10eq \r(3) m/s2
对整体由牛顿第二定律得F＝(M＋m)a＝90eq \r(3) N
(2)小球不沿斜面滑动，两者加速度相同，临界条件是细线对小球的拉力恰好为0，对小球受力分析如图乙，
由牛顿第二定律得mgtan 30°＝ma′，
解得a′＝eq \f(10\r(3),3) m/s2
对整体由牛顿第二定律得
F′＝(M＋m)a′＝30eq \r(3) N.
二、绳子断裂或松弛的临界问题
如图2所示，两细绳与水平车顶夹角分别为60°和30°，物体质量为m，当小车以大小为2g的加速度向右做匀加速直线运动时，求绳1和绳2的拉力大小.(g为重力加速度)
图2
答案 eq \r(5)mg 0
解析 绳1和绳2的拉力与小车的加速度大小有关.当小车的加速度大到一定值时物体会“飘”起来，导致绳2松弛，没有拉力，假设绳2的拉力恰为0，即T2为0，则有T1cs 30°＝ma′，T1sin 30°＝mg，解得a′＝eq \r(3)g，因为小车的加速度大于eq \r(3)g，所以物体已“飘”起来，绳2的拉力T2′＝0，绳1的拉力T1′＝eq \r(ma2＋mg2)＝eq \r(5)mg.
三、相对静止(或滑动)的临界问题
(多选)如图3所示，已知物块A、B的质量分别为m1＝4 kg、m2＝1 kg，A、B间的动摩擦因数为μ1＝0.5，A与水平地面之间的动摩擦因数为μ2＝0.5，设最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，g取10 m/s2，在水平力F的推动下，要使A、B一起运动且B不下滑，则力F的大小可能是( )
图3
A.50 N B.100 N C.125 N D.150 N
答案 CD
解析 若B不下滑，对B有μ1FN≥m2g，由牛顿第二定律得FN＝m2a；对整体有F－μ2(m1＋m2)g＝(m1＋m2)a，得F≥(m1＋m2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(1,μ1)＋μ2))g＝125 N，选项C、D正确.
(2021·南京市高一上期末)如图4所示，质量为M的木板放在水平桌面上，木板上表面有一质量为m的物块，物块与木板、木板与桌面间的动摩擦因数均为μ，重力加速度为g，设最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力，若要以水平外力F将木板抽出，则力的大小应大于( )
图4
A.μmg B.μ(M＋m)g
C.2μ(M＋m)g D.μ(2M＋m)g
答案 C
解析 对物块与木板分别进行受力分析如图所示，对物块有：
μmg＝ma1
得a1＝μg
对木板有：F－μmg－μ(M＋m)g＝Ma2
得a2＝eq \f(F－2μmg,M)－μg
要将木板从物块下抽出，必须使a2>a1
解得：F>2μ(M＋m)g，故A、B、D错误，C正确.
分析两物体叠加问题的基本思路
1.如图1所示，在光滑的水平面上叠放着两木块A、B，质量分别是m1和m2，A、B间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，若最大静摩擦力等于滑动摩擦力，要把B从A下面拉出来，则拉力的大小必须满足( )
图1
A.F>μ(m1＋m2)g B.F>μ(m1－m2)g
C.F>μm1g D.F>μm2g
答案 A
解析 以木块A为研究对象，则刚要发生相对滑动时，μm1g＝m1a
以A、B整体为研究对象，则刚要发生相对滑动时，F0＝(m1＋m2)a
解得F0＝μ(m1＋m2)g
则拉力F必须满足F>μ(m1＋m2)g，故选A.
2.(多选)一个质量为0.2 kg的小球用细线吊在倾角θ＝53°的斜面顶端，如图2，斜面静止时，球紧靠在斜面上，细线与斜面平行，不计摩擦及空气阻力，当斜面以10 m/s2的加速度向右做加速运动时，则(sin 53°＝0.8，cs 53°＝0.6，取g＝10 m/s2)( )
图2
A.细线的拉力为1.60 N
B.细线的拉力为2eq \r(2) N
C.斜面对小球的弹力为1.20 N
D.斜面对小球的弹力为0
答案 BD
解析 当小球对斜面的压力恰为零时，设斜面的加速度为a0，根据牛顿第二定律可知mgtan 37°＝ma0，解得a0＝7.5 m/s2，由于a0＝7.5 m/s2<10 m/s2，则当斜面以10 m/s2的加速度向右做加速运动时，小球将飘离斜面，设此时细线与竖直方向的夹角为α，则mgtan α＝ma，解得α＝45°，则此时细线的拉力T＝eq \f(mg,cs α)＝2eq \r(2) N，选项B、D正确.
3.如图3所示，在水平光滑桌面上放有m1和m2两个小物块，它们中间有水平细线连接.已知m1＝3 kg，m2＝2 kg，连接它们的细线最大能承受6 N的拉力.现用水平外力F1向左拉m1或用水平外力F2向右拉m2，为保持细线不断，则F1与F2的最大值分别为( )
图3
A.10 N 15 N B.15 N 6 N
C.12 N 10 N D.15 N 10 N
答案 D
解析 用水平外力F1向左拉m1，对m1有F1－T＝m1a1，对m2有T＝m2a1，解得F1最大值为15 N；用水平外力F2向右拉m2，对m2有F2－T＝m2a2，对m1有T＝m1a2，解得F2最大值为10 N，选项A、B、C错误，D正确.
4.如图4所示，A、B两个物体叠放在一起，静止在粗糙水平地面上，B与水平地面间的动摩擦因数μ1＝0.1，A与B间的动摩擦因数μ2＝0.2.已知A的质量m＝2 kg，B的质量M＝3 kg，重力加速度g取10 m/s2.现对物体B施加一个水平向右的恒力F，为使A与B保持相对静止，则恒力的最大值是(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)( )
图4
A.20 N B.15 N
C.10 N D.5 N
答案 B
解析 恒力最大时，对A有μ2mg＝ma；对A、B整体有Fmax－μ1(m＋M)g＝(m＋M)a，联立解得Fmax＝15 N，选项B正确.
5.(多选)(2020·兰州一中期末)如图5所示，在水平面上运动的小车内，用轻绳AB、BC拴住一个重力为G的小球，轻绳AB、BC与水平方向夹角分别为30°和45°，绳AB的拉力为T1，绳BC的拉力为T2，重力加速度为g，下列叙述正确的是( )
图5
A.小车向右以加速度g匀加速运动时T1＝0
B.小车向右以加速度g匀加速运动时T2＝eq \r(2)G
C.小车向右以加速度eq \r(3)g匀减速运动时T2＝0
D.小车向右以加速度eq \r(3)g匀减速运动时T1＝eq \r(2)G
答案 ABC
解析 小车向右做匀加速运动，当AB绳拉力恰好为0时，Gtan 45°＝ma1，解得a1＝g，此时T1＝0，T2＝eq \f(G,cs 45°)＝eq \r(2)G，故A、B正确；小车向右做匀减速运动，当BC绳拉力恰好为0时，Gtan 60°＝ma2，得：a2＝eq \r(3)g，此时T2＝0，T1＝eq \f(G,cs 60°)＝2G，故C正确，D错误.
6.(2021·泰兴中学、南菁高中高一上第二次联考)如图6所示，两个质量均为m的物块叠放压在一个竖直轻弹簧上面，处于静止状态，弹簧的劲度系数为k，t＝0时刻，物体受到一个竖直向上的作用力F，使得物体以0.5g(g为重力加速度)的加速度匀加速上升，则A、B分离时B的速度为( )
图6
A.eq \f(g,2)eq \r(\f(m,k)) B.geq \r(\f(m,2k))
C.geq \r(\f(2m,k)) D.2geq \r(\f(m,k))
答案 B
解析 静止时弹簧压缩量x1＝eq \f(2mg,k)，分离时A、B之间的压力恰好为零，设此时弹簧的压缩量为x2，对B：kx2－mg＝ma，得x2＝eq \f(3mg,2k)，物块B的位移x＝x1－x2＝eq \f(mg,2k)，由v2＝2ax得：v＝geq \r(\f(m,2k))，B正确.
7.如图7所示，矩形盒内用两根细线固定一个质量为m＝1.0 kg的均匀小球，a线与水平方向成53°角，b线水平.两根细线所能承受的最大拉力都是Fm＝15 N.(cs 53°＝0.6，sin 53°＝0.8，g取10 m/s2)求：
图7
(1)当该系统沿竖直方向匀加速上升时，为保证细线不被拉断，加速度可取的最大值；
(2)当该系统沿水平方向向右匀加速运动时，为保证细线不被拉断，加速度可取的最大值.
答案 (1)2 m/s2 (2)7.5 m/s2
解析 (1)竖直向上匀加速运动时，小球受力如图所示，
当a线拉力为15 N时，由牛顿第二定律得：
y轴方向有：Fmsin 53°－mg＝ma
x轴方向有：Fmcs 53°＝Fb
解得Fb＝9 N，此时加速度最大值a＝2 m/s2
(2)水平向右匀加速运动时，由牛顿第二定律得：
竖直方向有：Fa′sin 53°＝mg
水平方向有：Fb′－Fa′cs 53°＝ma′
解得Fa′＝12.5 N
当Fb′＝15 N时，加速度最大，此时a′＝7.5 m/s2.