新高考物理一轮复习考点题型分类讲与练第10讲 动态平衡问题 平衡中的临界和极值问题（2份，原卷版+解析版）

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本讲要点
一、 考点精讲练
考点01：动态平衡问题（必备知识+4例+4变式+能力提升）
考点02：临界极值问题（必备知识+3例）
拓展学习（自锁现象和摩擦角问题：必备知识+2例+2变式+能力提升）
三、 巩固提升（精选12道题）
动态平衡问题
考点一
动态平衡就是通过控制某些物理量，使物体的状态发生缓慢的变化，但变化过程中的每一个状态均可视为平衡状态，所以叫动态平衡。常用方法：图解法、解析法、相似三角形法、辅助圆法、正弦定理法。
1.图解法
用图解法分析物体的动态平衡问题时，一般是物体只受三个力作用，且其中一个力大小、方向均不变，另一个力的方向不变，第三个力大小、方向均变化。
（1）一个力恒定，另一个力始终与恒定的力垂直，三力可构成直角三角形，可作不同状态下的直角三角形，分析力的大小变化，如图甲所示。
（2）一力恒定，另一力与恒定的力不垂直但方向不变，作出不同状态下的矢量三角形，确定力大小的变化，在变化过程中恒力之外的两力垂直时，会有极值出现，如图乙所示。
【例1-1】 (2025·河北石家庄高三期末)如图所示，粗糙水平地面上放有横截面为14圆的柱状物体A，A与墙面之间放有表面光滑的圆柱形物体B，A、B均保持静止。若将A向左移动少许，下列说法正确的是( )
A.B对A的作用力不变B.墙对B的作用力不变
C.地面对A的摩擦力不变D.地面对A的支持力不变
【变式1-1】（多选）（2019·全国I卷·高考真题）如图，一粗糙斜面固定在地面上，斜面顶端装有一光滑定滑轮．一细绳跨过滑轮，其一端悬挂物块N．另一端与斜面上的物块M相连，系统处于静止状态．现用水平向左的拉力缓慢拉动N，直至悬挂N的细绳与竖直方向成45°．已知M始终保持静止，则在此过程中（ ）
A．水平拉力的大小可能保持不变
B．M所受细绳的拉力大小一定一直增加
C．M所受斜面的摩擦力大小一定一直增加
D．M所受斜面的摩擦力大小可能先减小后增加
2.解析法:如果物体受到多个力的作用,可进行正交分解,利用解析法,建立平衡方程,根据自变量的变化确定因变量的变化。
【例1-2】 (2025·河北保定一模)如图，质量为0.2 kg的小球A在水平力F作用下，与四分之一光滑圆弧形滑块B一起静止在地面上，小球球心跟圆弧圆心连线与竖直方向夹角θ＝60°，g取10 m/s2。则以下说法正确的是( )
A.B对A的支持力大小为23 N
B.水平地面对B的摩擦力方向水平向右
C.增大夹角θ，若A、B依然保持静止，F减小
D.增大夹角θ，若A、B依然保持静止，地面对B的支持力减小
【变式1-2】（2022·浙江·高考真题）如图所示，学校门口水平地面上有一质量为m的石墩，石墩与水平地面间的动摩擦因数为μ，工作人员用轻绳按图示方式匀速移动石墩时，两平行轻绳与水平面间的夹角均为θ，则下列说法正确的是（ ）
A．轻绳的合拉力大小为μmgcsθ
B．轻绳的合拉力大小为μmgcsθ+μsinθ
C．减小夹角θ，轻绳的合拉力一定减小
D．轻绳的合拉力最小时，地面对石墩的摩擦力也最小
3.相似三角形法:一个力恒定、另外两个力的方向同时变化,当所作矢量三角形与空间的某个几何三角形总相似时用此法。(如表所示)
【例1-3】 (多选)(2025·江西鹰潭模拟)如图所示，圆心为O、半径为R的四分之一圆形光滑轨道竖直固定在水平地面上，在O点正上方有一光滑的小滑轮，小滑轮到轨道上B点的距离为h，轻绳的一端系一质量为m的小球，靠放在光滑圆形轨道上的A点，A点到小滑轮的距离为L，另一端绕过小滑轮后用力拉住。重力加速度大小为g，则( )
A.若使小球静止在A点，圆形轨道对小球的支持力大小FN＝mgRR＋ℎ
B.若使小球静止在A点，绳对小球的拉力大小FT＝2mgLR＋ℎ
C.缓慢地拉绳，在使小球由A到B的过程中，圆形轨道对小球的支持力大小FN不变，绳对小球的拉力大小FT变小
D.缓慢地拉绳，在使小球由A到B的过程中，圆形轨道对小球的支持力大小FN变小，绳对小球的拉力大小FT先变小后变大
【变式1-3】(2025·山东烟台市龙口市校考)如图所示为一简易起重装置，AC是上端带有小滑轮的固定支架，BC为质量不计的轻杆，杆的一端C用铰链固定在支架上，另一端B悬挂一个质量为m的重物，并用轻质钢丝绳跨过滑轮A连接在卷扬机上。开始时，杆BC与AC的夹角∠BCA>90°，现使∠BCA缓慢变小，直到∠BCA＝30°(不计一切阻力)。在此过程中，杆BC所产生的弹力( )
A.大小不变B.逐渐增大
C.先增大后减小D.先减小后增大
4.力的外接圆法和正弦定理法:一力恒定,另外两力方向均变化,但两力方向夹角保持不变的动态平衡问题,可利用力的外接圆法或正弦定理法。
【例1-4】某中学为增强学生体魄,组织学生进行多种体育锻炼。在某次锻炼过程中,一学生将铅球置于两手之间,其中两手之间夹角为60°。保持两手之间夹角不变,将右手由图所示位置沿顺时针方向缓慢旋转60°至水平位置。不计一切摩擦,则在转动过程中,下列说法正确的是( )
A.右手对铅球的弹力一直增大
B.右手对铅球的弹力先增大后减小
C.左手对铅球的弹力一直增大
D.左手对铅球的弹力先增大后减小
【变式1-4】(多选)如图，柔软轻绳ON的一端O固定，其中间某点M拴一重物，用手拉住绳的另一端N。初始时，OM竖直且MN被拉直，OM与MN之间的夹角为α(α>π2)。现将重物向右上方缓慢拉起，并保持夹角α不变。在OM由竖直被拉到水平的过程中( )
A.MN上的张力逐渐增大
B.MN上的张力先增大后减小
C.OM上的张力逐渐增大
D.OM上的张力先增大后减小
【解题能力提升】
平衡中的临界极值问题
考点二
1.临界问题
当某物理量变化时，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”，在问题的描述中常用“刚好”“恰能”“恰好”等。临界问题常见的种类：
(1)由静止到运动，摩擦力达到最大静摩擦力。
(2)绳子恰好伸直，拉力F＝0。
(3)刚好离开接触面，支持力FN＝0。
2.极值问题
平衡中的极值问题，一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题。
3.解题方法
(1)极限法：首先要正确地进行受力分析和过程分析，把某个物理量推向极端(极大或极小)，从而找出平衡的临界点和极值点。
【例2-1】（2024·山东·高考真题）如图所示，国产人形机器人“天工”能平稳通过斜坡。若它可以在倾角不大于30°的斜坡上稳定地站立和行走，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则它的脚和斜面间的动摩擦因数不能小于（ ）
A．12B．33C．22D．32
（2）数学分析法：根据物体的平衡条件写出物理量之间的函数关系(或画出函数图像)，用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值)。
【例2-2】春秋末年，齐国著作《考工记》中记载“马力既竭，輈（zhōu，指车辕）犹能一取焉”，揭示了一些初步的力学原理。如图甲所示，车辕是马车车身上伸出的两根直木，它是驾在马上拉车的把手。如图乙为马拉车时的简化模型，车辕前端距车轴的高度H约为1m，马拉车的力可视为沿车辕方向，马车的车轮与地面间的摩擦力大小是其对地面压力的33倍，若想让马拉车在水平面上匀速前进且尽可能省力，则车辕的长度约为（ ）
A．2mB．3mC．3mD．2m
(3)物理分析方法：根据物体的平衡条件，作出力的矢量图，利用平行四边形定则进行动态分析，确定最大值与最小值。
【例2-3】如图所示，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，为使CD绳保持水平，在D点上可施加外力F（重力加速度为g），则下列说法中正确的是（ ）
A．AC绳的拉力为33mgB．CD绳的拉力为32mg
C．外力F的最小值为14mgD．外力F的最小值为12mg
拓展学习
自锁现象和摩擦角
1．摩擦角
物体在粗糙平面(斜面)上滑动时，所受滑动摩擦力Ff和支持力FN的合力F合与FN间的夹角为θ，如图甲、乙所示，由于tanθ＝eq \f(Ff,FN)＝μ为常量，所以θ被称为摩擦角．
图甲 图乙
2．摩擦角的应用
(1)在水平面上，若给物体施加拉力F使之在水平面上滑动，则力跟水平方向的夹角为θ(跟F合垂直)时，拉力F最小，如图丙．
图丙 图丁 图戊
(2)当所加推力F与支持力FN反方向间的夹角β≤θ时，无论推力F多大，都不能推动物体在平面(斜面)上运动，这种现象称为摩擦自锁，如图丁、戊．
(3)有摩擦力参与的四力平衡问题可通过合成支持力FN和滑动摩擦力Ff转化为三力平衡问题，然后根据力的平衡知识求解．
【例3-1】如图所示，倾角为45°的斜面上，放置一质量为m的小物块，小物块与斜面间的动摩擦因数μ＝33，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，欲使小物块能静止在斜面上，应对小物块再施加一个力，该力最小时大小与方向是( )
A.mgsin 15°，与水平方向夹角为15°，斜向右上
B.mgsin 30°，竖直向上
C.mgsin 75°，沿斜面向上45°
D.mgtan 15°，水平向右
【变式3-1】如图（a），摩擦角的物理意义是：当两接触面间的静摩擦力达到最大值时，静摩擦力f与支持面的支持力N的合力F与接触面法线间的夹角即为摩擦角φ，可知tanφ=μ。利用摩擦角的知识可以用来估料，如图（b）所示。物料自然堆积成圆锥体，圆锥角底角必定是该物料的摩擦角φ。若已知物料的摩擦角φ和高h，动摩擦因数为μ。物料所受滑动摩擦力等于最大静摩擦力。可求出圆锥体的体积为（ ）
A．πℎ33μ2B．2πℎ33μ2C．πℎ32μ2D．πℎ36μ2
【解题能力提升】
3. 自锁现象
自锁现象是一种力学物理现象，如果作用于物体的主动力的合力Q的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个全反力R与之平衡，物体保持静止；反之，如果主动力的合力Q的作用线在摩擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。物体在这种条件下的平衡现象称之自锁现象。
【例3-2】北方农村秋冬季节常用金属丝网围成圆柱形粮仓储存玉米棒，该粮仓由于玉米棒装的不匀称而发生倾斜现象，为避免倾倒，在左侧用木棍支撑，如图所示。若支撑点距水平地面的高度为3m，木棍与水平地面动摩擦因数为33，木棍重力不计，粮仓对木棍的作用力沿木棍方向，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，为使木棍下端一定不发生侧滑，则木棍的长度最多为（ ）
A．1.5mB．3mC．2mD．23m
【变式3-2】某同学做家务时，使用拖把清理地板，如图所示。假设拖把头的质量为1kg，拖把杆的质量不计，拖把杆与水平地面成53°角。当对拖把头施加一个沿拖把杆向下、大小为10N的力F1时，恰好能推动拖把头向前匀速运动。重力加速度g取10m/s2，sin53°=0.8，cs53°=0.6。
（1）求拖把头与地板间的动摩擦因数μ。
（2）当拖把静止时，对拖把头施加一个沿拖把杆向下的力F2，拖把杆与地面的夹角为θ。当θ增大到某一值时，无论F2多大，都不能推动拖把头，求此时的tanθ值。（为方便起见，本问可忽略拖把头的重力，且认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力）

巩固提升
1．如图，光滑斜面上有一个小球被轻绳拴住，悬挂在天花板上，已知轻绳与竖直方向的夹角为45°，斜面倾角37°，整个装置处于静止状态。现保持悬点不变，将斜面向左缓慢推动平移一小段距离后，下列说法正确的是（ ）
A．小球对斜面的压力变小B．斜面对小球支持力变大
C．轻绳拉小球的拉力变小D．斜面受到地面的摩擦力变大
2．用绳AO、BO悬挂一个重物，BO水平，O为半圆形支架的圆心，悬点A和B在支架上。悬点A固定不动，将悬点B从如图所示位置逐渐移动到C点的过程中，绳OA和绳OB上的拉力的大小变化情况是（ ）
A．OA绳上的拉力逐渐减小
B．OA绳上的拉力先减小后增大
C．OB绳上的拉力逐渐增大
D．OB绳上的拉力先增大后减小
3．（2025·陕西渭南·三模）如图所示，一个大理石半球静置在水平地面上，球心为O。一只小蚂蚁缓慢从图中Q点沿圆弧爬向半球面最高点P，运动过程中大理石半球始终保持静止。已知OQ与OP的夹角为θ=45°，在此过程中，下列说法正确的是（ ）
A．大理石半球对小蚂蚁的作用力变大
B．大理石半球对小蚂蚁的支持力变小
C．地面对大理石半球的摩擦力始终为零
D．地面对大理石半球的支持力变小
4．（多选）图1是工人把货物运送到房屋顶端的场景，简化图如图2所示，绳子跨过定滑轮拉动货物A，沿倾角为θ的玻璃棚缓慢向上移动，忽略货物所受摩擦阻力，则下列说法正确的是（ ）
A．货物A对玻璃棚的压力越来越小
B．货物A对玻璃棚的压力越来越大
C．绳子的拉力越来越大
D．绳子的拉力先减小后增大
5．（2025·山东威海·三模）如图所示，工人利用定滑轮通过绳索施加拉力F，将一根均匀的钢梁AB拉起，定滑轮位于钢梁A端的正上方，拉起的过程中钢梁绕A端缓慢转动。拉力F的大小（ ）
A．始终不变B．逐渐增大
C．逐渐减小D．先增大后减小
6．（2025·山东·二模）黄河铁牛是世界桥梁史上的传世之宝。如图，唐代蒲津浮桥通过两岸的铁牛固定，铁牛底部的铁柱插入地下。铁牛受到3个力：其中桥索对铁牛的拉力为F1，铁柱对铁牛的作用力为F2，铁牛自身重力为G，则（ ）
A．若F1增大，则F2减小
B．F1与F2的合力竖直向上
C．铁柱对铁牛的作用力F2一定沿着铁柱向上
D．若桥索与竖直方向夹角变大，则F1与F2的合力变小
7．图甲为某人发明的自动叉秸秆工具，捆成圆柱形的秸秆从地上被叉起后，处于长、短直杆之间被短直杆挡住，短直杆焊接在长直杆上，且二者之间夹角小于90°，简化图如图乙所示，不计一切摩擦。若长直杆由水平逆时针缓慢转至竖直，则下列说法正确的是（ ）
A．长直杆对秸秆的弹力一直增大
B．长直杆对秸秆的弹力先减小后增大
C．短直杆对秸秆的弹力一直增大
D．短直杆对秸秆的弹力先减小后增大
8．（2022·河北·高考真题）如图，用两根等长的细绳将一匀质圆柱体悬挂在竖直木板的P点，将木板以底边MN为轴向后方缓慢转动直至水平，绳与木板之间的夹角保持不变，忽略圆柱体与木板之间的摩擦，在转动过程中（ ）
A．圆柱体对木板的压力逐渐增大
B．圆柱体对木板的压力先增大后减小
C．两根细绳上的拉力均先增大后减小
D．两根细绳对圆柱体拉力的合力保持不变
9．（多选）质量为M的木楔倾角θ为37°，在水平面上保持静止。当将一质量为m的物块放在木楔斜面上时，它正好匀速下滑。如图所示，当用与木楔斜面成α角的力F拉物块，物块匀速上升（已知木楔在整个过程中始终静止）。可取sin37°=0.6。下列说法正确的有（ ）
A．物块与斜面间的动摩擦因数为0.75B．当α=37°时F有最小值
C．当α=30°时F有最小值D．F的最小值为mgsin2θ
10．（多选）（2025·福建厦门·二模）如图甲所示，我国古建屋顶多采用蝴蝶瓦方式铺设。图乙是两片底瓦和一片盖瓦的铺设示意图，三根相同且平行的椽子所在平面与水平面夹角为37∘。图丙为截面示意图，弧形底瓦放置在两根相邻的椽子正中间，盖瓦的底边恰与底瓦的凹槽中线接触。已知相邻两椽子与底瓦接触点间的距离和瓦的半径都为20 cm，盖瓦和底瓦形状相同，厚度不计，质量均为1 kg、最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度大小g取10 m/s2，在无扰动的情况下，底瓦与盖瓦均保持静止。若仅铺设这三片瓦进行研究，则（ ）
A．底瓦与椽子间的动摩擦因数μ≥383
B．底瓦与椽子间的动摩擦因数μ≥3103
C．适当增大两椽子间的距离，底瓦更不容易下滑
D．适当减小两椽子间的距离，底瓦更不容易下滑
11．（多选）一竖直放置的轻质圆环静止于水平面上，质量为m的物体用轻绳系于圆环边缘上的A、B两点，结点恰位于圆环的圆心O点。已知物体静止时，AO绳水平，BO绳与AO绳的夹角为150°。现使圆环沿顺时针方向缓慢滚动，在AO绳由水平转动至竖直的过程中（ ）
A．AO绳中的拉力一直增大B．AO绳中最大拉力为2mg
C．BO绳中的拉力先减小后增大D．BO绳中最小拉力为0
12．小明和小语到机场去为朋友送行，看到有一些旅客斜向上拉着旅行箱走，也有一些旅客斜向下推着旅行箱走。小刘突然产生了一个想法，他问小赵：若在粗糙水平面上，为使质量为25kg的行李箱在水平面上做匀速直线运动，往往可以采用“拉”或“推”两种方式，这两种方式可简化为如图1的模型，甲受到与水平方向成30°角的拉力F₁=100N，乙受到与水平方向成30°角的推力F2，g取10m/s2。（结果可用分数和根号表示）
（1）求行李箱与粗糙水平面之间的动摩擦因数μ；
（2）求F2的大小；
（3）若此题已知行李箱与水平面间的动摩擦因数为μ₀，假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。现对它作用一个推力F，如图2所示，若F无论为多大也不能推动行李箱，则F与水平地面间的夹角α的正切值（tanα）满足什么关系？（提示：tanα=sinαcsα）
受力分析
力的矢量三角形
和几何三角形相似
比例
Gℎ=FNd=Fl
Gℎ=FNR=Fl
GR=Fl=FNR
力的外
接圆法
作出某状态三个力的矢量三角形,根据不同位置判断另外两个力的大小变化
正弦
定理法
物体受三个共点力作用而处于平衡状态,对表示三个力的矢量组成的封闭三角形,根据正弦定理可推出F1sinα=F2sinβ=F3sinγ,若F1、α不变、β(或γ)的变化导致F2(或F3)变化
分析动态平衡问题的流程
受力分析→化动为静→画不同状态下的受力平衡图构造矢量三角形→静中求动
定性分析根据矢量三角形边长关系确定矢量的大小变化定量计算三角函数关系正弦定理相似三角形→找关系求解
在力的方向发生变化的平衡问题中求力的极小值时，一般利用三角函数求极值。也可利用“摩擦角”将四力平衡转化为三力平衡，从而求拉力的最小值。例如：如图所示，物体在拉力F作用下做匀速直线运动，改变θ大小，求拉力的最小值时，可以用支持力与摩擦力的合力F'代替支持力与摩擦力，FN与Ff的合力F'方向一定，即“摩擦角”α满足tan α＝FfFN＝μ，则Fmin＝mgsin α，此时θ＝α。