在学习物理中有关临界极值问题的处理.doc

在动力学中临界极值问题的处理佛山市高明第一中学（528500） 周兆富 物理学中的临界和极值问题牵涉到一定条件下寻求最佳结果或讨论其物理过程范围的问题，此类问题通常难度较大技巧性强，所涉及的内容往往与动力学、电磁学密切相关，综合性强。在高考命题中经常以压轴题的形式出现，临界和极值问题是每年高考必考的内容之一。一解决动力学中临界极值问题的基本思路所谓临界问题是指当某种物理现象（或物理状态）变为另一种物理现象（或另一物理状态）的转折状态叫临界状态可理解成“恰好出现”或“恰好不出现”某种物理现象转化为另一种物理现象的转折状态称为临界状态。至于是“出现”还是“不出现”，需视具体问题而定。极值问题则是在满足一定的条件下，某物理量出现极大值或极小值的情况。临界问题往往是和极值问题联系在一起的。解决此类问题重在形成清晰的物理图景，分析清楚物理过程，从而找出临界条件或达到极值的条件，要特别注意可能出现的多种情况。动力学中的临界和极值是物理中的常见题型，同学们在刚刚学过的必修1中匀变速运动规律、共点力平衡、牛顿运动定律中都涉及到临界和极值问题。在解决临办极值问题注意以下几点：临界点是一个特殊的转换状态，是物理过程发生变化的转折点，在这个转折点上，系统的一些物理量达到极值。临界点的两侧，物体的受力情况、变化规律、运动状态一般要发生改变，能否用变化的观点正确分析其运动规律是求解这类题目的关键，而临界点的确定是基础。许多临界问题常在题目的叙述中出现“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脱离”等词句对临界问题给出了明确的暗示，审题是只要抓住这些特定词语其内含规律就能找到临界条件。有时，某些临界问题中并不包含常见的临界术语，但审题时发现某个物理量在变化过程中会发生突变，如运动中汽车做匀减速运动类问题，则该物理量突变时物体所处的状态即为临界状态。临界问题通常具有一定的隐蔽性，解题灵活性较大，审题时应力图还原习题的物理情景，抓住临界状态的特征，找到正确的解题方向。确定临界点一般用极端分析法，即把问题（物理过程）推到极端，分析在极端情况下可能出现的状态和满足的条件。解题常用的思路用矢量法、三角函数法、一元二次方程判别式法或根据物理过程的特点求极值法等。二匀变速运动规律中与临界极值相关问题的解读 在质点做匀变速运动中涉及到临界与极值的问题主要有“相遇”、“追及”、“最大距离”、“最小距离”、“最大速度”、“最小速度”等。【例1】速度大小是5m/s的甲、乙两列火车，在同一直线上相向而行。当它们相隔2000m时，一只鸟以10m/s的速度离开甲车头向乙车头飞去，当到达乙车车头时立即返回，并这样连续在两车间来回飞着。问：（1） 当两车头相遇时，这鸟共飞行多少时间？（2） 相遇前这鸟飞行了多少路程？【灵犀一点】甲、乙火车和小鸟运动具有等时性，要分析相遇的临界条件。【解析】飞鸟飞行的时间即为两车相遇前运动的时间，由于飞鸟在飞行过程中速率没有变化，可用s=vt求路程。（1）设甲、乙相遇时间为t，则飞鸟的飞行时间也为t，甲、乙速度大小相等v甲= v乙=5m/s，同相遇的临界条件可得：s = (v甲+v乙)t则：（3） 这段时间，鸟飞行的路程为：【思维总结】本题难度不大，建立物理情景，分清运动过程，找到相遇的临界条件、三个运动物体运动具有等时性和小鸟速率不变是解题的切入点。 【例2】在平直公路上一汽车的速度为15m/s，从某时刻汽车开始刹车，在阻力作用下，汽车以2m/s2的加速度做匀减速运动，则刹车后第10s末车离刹车点的距离是 m. 【灵犀一点】在汽车刹车问题中，汽车速度为0后将停止运动，不会反向运动。在分析此类问题时，应先确定刹车停下来这个临界状态所用的时间，然后在分析求解。 【解析】 设汽车从刹车到停下来所用时间为t0，由运动学规律得：由于t0<10s，所以在计算时应将t=7.5s代入公式求解。则有： 【思维总结】本题经常犯的错误是不考虑汽车刹车后速度为零所需时间这一临界状态，直接把题目中所给的时间代入公式。汽车刹车后不可能再倒行，此类问题应注意验证结果的合理性，若给定的时间内汽车仍未停下，则可直接套用运动学公式；若给定时间汽车早以停下，就应先计算刹车时间，然后再把这一时间代入位移公式求解。 【例3】A、B两车停在同一点，某时刻A车以2m/s2的加速度匀加速开出，2s后B车同向以3m/s2的加速度开出。问：B车追上A车之前，在启动后多长时间两车相距最远，距离是多少？ 【灵犀一点】速度相等是解决追及和相遇问题的临界点。 【解析】解法1由于当A车的加速度度小于B车的加速度，B车后启动，则B车一定能追上A车，在追上前当两车的速度相等时，两车相距最远。设当A车运动t时间时，两车速度相等，则有解得：把t代入两车之间距离差公式得：解法2设A启动ts两车相距最远，A车的位移：，B车的位移：两车间距离为由数学知识可知，当时，两车间有最大距离：【思维总结】在追及问题中，常常要求最远距离或最小距离，常用的方式有物理方法和数学方法，应用物理方法时，应分析物体的具体运动情况，两物体运动速度相等时，两物体间有相对距离的极大值和极小值。应用数学的方法时，应先列出函数表达式，再求表达式的极大值或极小值。三在共点力动态平衡中与临界极值相关问题的解读 物体在多个共点力作用下的动态平衡问题中，常涉及到什么时候受力“最大”或“最小”，那个绳先断等问题。【例4】如图1所示，质量为m的物体，置于水平长木板上，物体与木板间的动摩擦因数为。现将长木板的一端缓慢抬起，要使物体始终保持静止，木板与水平地面间的夹角不能超过多少？设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。图1【灵犀一点】这是一个斜面问题。当增大时，重力沿斜面的分力增大。当此分力增大到等于最大静摩擦力时，物体处于动与不动的临界状态。此时是最大。【解析】依题意可知，当 mgsin=mgcos物体处于临界状态，即 tan=则 arcot讨论：tan=是一重要临界条件。其意义是：tan<时，重力沿斜面向下的分力小于滑动摩擦力，物体相对于长木板静止；tan=时，重力沿斜面向下的分力等于滑动摩擦力，当物体没有获得初速度时，物体相对于长木板静止；tan>时，重力沿斜面向下的分力大于滑动摩擦力，物体将向下做加速运动。【思维总结】对于此题的动态是否处于动态平衡问题讨论如下：、将物体静止置于斜面上，如tan，则物体保持静止；如tan>，则物体不能保持静止，而加速下滑。、将物体以一初速度置于斜面上，如tan<，则物体减速，最后静止；如tan=，则物体保持匀速运动；如tan>，则物体做加速运动。因此，tan=这一临界条件是判断物体在斜面上会如何运动的一个条件。图2【例5】如图2所示，跨过定滑轮的轻绳两端，分别系着物体A和B，物体A放在倾角为的斜面上，已知物体A的质量为m，物体B和斜面间动摩擦因数为（<tan），滑轮的摩擦不计，要使物体静止在斜面上，求物体B质量的取值范围【灵犀一点】摩擦力可能有两个方向【解析】以B为研究对象，由平衡条件得：再以A为研究对象，它受重力、斜面对A的支持力、绳的拉力和斜面对A的摩擦作用假设A处于临界状态，即A受最大静摩擦作用，方向如图所示，根据平衡条件有： 或：图3GDOCBA 综上所得，B的质量取值范围是：【思维总结】本题关键是要注意摩擦力的方向及大小与物体所受外力有关，故在处理问题时要在物体临界条件下确定可能的运动趋势【例6】如图3所示，将一物体用两根等长OA、OB悬挂在半圆形架子上，B点固定不动，在悬挂点A由位置C向位置D移动的过程中，物体对OA绳的拉力变化是（）A.由小变大 B.由大变小C.先减小后增大 D.先增大后减小【灵犀一点】在进行动态分析时，要找到不变的因素和力发生变化的临界点【解析】悬挂点A由位置C移动的过程中，每个位置都处在平衡状态，合力为零。TA2TB图4TA1GTA3TA4以结点O为研究对象，受三个力的作用而处于平衡状态，因此三个力必构成一个闭合矢量三角形。因重力的大小和方向始终不变，BO绳的拉力方向不变，在AO绳由位置C到D移动过程中可以做出一系列的闭合的三角形，如图4所示。由图可知OB绳的拉力由小变大，OA绳的拉力由大变小，当OA垂直于OB时绳OA的拉力达到最小值，此时，绳OA的接力由减小到增大的临界点。则C正确。【思维总结】作矢量图时，每个三角形所表示重力边的长度、方向都不变，TB的方向不变，然后比较做出的各个三角形表示有哪些不同。要特别注意是否存在极值和临界点，这是判断力变化的切入点。四动力学中的临界极值问题的解读mamg图6F图5在应用牛顿运动定律解决动力学问题中，当物体运动的加速度不同时，物体有可能处于不同的状态，特别是题目中出现“最大”、“最小”、“刚好”等词句时，往往会有临界现象。此时要用极限分析法，看物体不同加速度时，会有哪些现象发生，找出临界点，求出临界条件。【例7】如图5所示，一质量为0.2kg的小球系着静止在光滑的倾角为53°的斜面上，斜面静止时，球紧靠在斜面上，绳与斜面平行，当斜面以10m/s2加速度水平向右作匀加速直线运动时，求线对小球的拉力和斜面对小球的弹力。（g=10m/s2） 【灵犀一点】要考虑到小球可能离开斜面的情况，用极限法把加速度推到两个极端进行分析。 【解析】当时，小球受到三个力（重力、绳的拉力、斜面的支持力）作用，此时绳平行于斜面；当a较大时，小球将“飞离”斜面，此时绳与斜面的夹角未知。设小球处在刚要离开斜面的临界状态时加速度值为a0，此时斜面对小球的支持力为零，斜面加速向右运动，对小球有：因为a =10m/s2>7.5m/s2，则小球离开斜面向右加速运动，如图6所示。则绳对小球的拉力和斜面对小球的支持力分别为：a图7【思维总结】此题中的临界状态就是小球仍与斜面接触但与斜面间无弹力，在用极限法（分别设加速度为无穷大和零）分析出小球的两种可能。找出两种状态的分界点是解决本题的切入点。【例8】一根劲度系数为k、质量不计的轻弹簧，上端固定，下端系一质量为m的物体，有一水平的板将物体托住，并使弹簧处于自然长度，如图7所示，现让木板由静止开始以加速度a(a<g)匀加速向下移动，求经过多长时间木板与物体分离。【灵犀一点】当木板与物体之间作用力为零时，是两者分开的临界点。【解析】木板与物体分离的临界条件是它们之间的作用力为零。对于m物体由牛顿运动定律得：，当F=0以后，随着x的增大，物体m的加速度减小，二者开始分离。物体与木板分离的临界点为F= 0时，此时由上式可得：由木板一直作加速度为a的匀加速运动，则由运动学规律得：【思维总结】分清物体运动过程受力情况的变化情况是本题的切入点，找到F=0时的是两物体分离临界点是解题的关键。高中物理学习方法探究佛山高明一中（528500）周兆富在以知识创新与应用为特征的21世纪，高中物理作为提高科学素养的重要学科，对同学们的成长和提高创新能力有着非常重要的作用，随着新课改的逐渐深入，全面培养创新精神、实践能力，提倡主动学习、自主学习、合作学习和探究学习以成为历史负于同学们的责任。那么，在新课标理念下，同学们如何学好物理，在学习物理中有那此方法呢？一 建立知识网络，形成知识体系物理学是一门有完整知识网络和体系的自然科学，同学们要学习物理的基础知识，了解物质结构、相互作用和运动的一些基本概念和规律，了解物理学的基本观点和思想。初步了解物理学发展历程，关注科学技术的主要成就和发展趋势以及物理学对经济、社会发展的影响。认识实验在物理学中的地位和作用，掌握实验的一些基本技能，会使用基本的实验仪器，能独立完成一些物理实验。经过一个学期的学习，同学们已经初步掌握了一些运动学的物理知识，在期末复习阶段同学们首先要把所学的内容形成知识体系和网络，这一点我们从各类教学辅导书的章末都能找到一页本章知识网络图，通过这页网络图同学们要对本章的基础知识、基本概念、经典实验、基本题型、研究问题的方法有一个初步了解，建立属于自己的知识系统。这也是高考备考一轮所要达到的目标。例如，我们学习“第三章 研究物体间相互作用”这一章时，首先要了解如下知识网络，其次是掌握受力分析的方法和本章在高考中的地位等：力力的概念常见的三种力力的作用效果力的三要素力的分类大小方向作用点重力弹力摩擦力力的产生力的大小力的方向滑动摩擦静摩擦受力分析分析对象分析方法力的合成与分解合分定则合成方法分解方法力是物体间相互作用共点力平衡平衡条件计算方法1.“研究物体间相互作用”知识网络2.受力分析的方法（1）对物体受力分析的一般思路明确研究对象。研究对象可以是质点、结点、物体、物体系统；接顺序分析物体受力。一般顺序先重力、弹力、摩擦力，再分析电场力、磁场力等；正确画出受力图。不同对象受力图用隔离法分别画出。对于质点和不考虑力对物体的形变、转动效果时，可将力平移至物体重心上，各力均从重心画起。检验受力图，防止多画或少画。（2）受力分析的注意事项只分析研究对象所受的力，不分析研究对象对其它物体所施的力；每分析一个力都应找出施力物体；合力和分力不能同时作为物体所受的力。3.本章在高考中的地位和学法归纳牛顿定律是贯穿高中物理的基本定律，是学习进一步学习力学知识的掌握电磁学部分知识的重要基础，牛顿运动定律是历年高考的热点。本章内容强调对定律本身深刻内含的理解和全面把握。同学们要通过对具体问题的综合分析，形成和理顺解决动力学的问题一般思路和方法。做到对力和运动的关系为线索构建知识结构，理解定律本身的意义，形成正确的概念，学会解决实际问题的思路和方法，注重在研究对象的选取和受力分析中技巧的应用及数学方法的运用。二 搞清物理情景，建立物理模型高中物理学所分析、研究实际问题往往很复杂，有众多的因素，为了便于着手分析与研究，物理学往往采用一种“简化”的方法，对实际问题情景进行科学抽象化处理。物理模型是根据所研究的对象和问题的特点，从所考察的角度出发，撇开问题中个别的、非本质的因素，抽出主要的、本质的因素加以考察研究，并把同一类物理事物共同的、本质的属性联合起来，从而建立起一个轮廓清晰、主题突出、易于研究的新形象、新过程或者形成新的概念。例如，通过对质点模型的建立就可以使学生很好的体会什么是质点模型、质点模型与实物的区别、什么样的实物可以看成质点等问题，同时对以后学习其他的模型有所帮助。图1AB图2图3AO图4图5运用模型法的关键是通过归纳法培养学生透过现象看本质的能力，将一些物理事实归入某个范畴，并找到其规律性。在认真分析题意的基础上，通过审慎地考察各种条件，并运用比较、分析、综合、抽象、概括、演泽、推理等方法找出普遍的物理规律和结论。而下面看似无关的五道例题，我们完全可以用一个质点受力模型去解决。【例1】如图1所示，表面光滑，重力不计的角度为的劈尖插在缝AB间，在劈尖背上加一竖直向下的压力F，则劈尖对A和B侧的压力是各是多少？(答案 ：N1 = Fcot N2 = F/sin ) 【例2】如图2所示，在倾角为角的斜面上，放一质量为m的光滑小球，球被竖直木板档住，则球对木板的压力是多少？(答案：N1 = Gtan) 【例3】如图3所示，人站立在岸上通过定滑轮用绳牵引小船，若水的阻力恒定不变，则船在匀速靠岸过程中，绳的拉力和船的所受的浮力如何变化？(答案：拉力不断增大，则浮力减小)【例4】如图4所示，电灯挂于两墙之间更换原水平绳OA，使结点A向上移动而保持O点不动，则A点上移时，OA所受的拉力如何变化？(答案：OA所受拉力先变小后变大的结论。)【例5】如图5所示，水平地面放一个木板，上面放一个木块，设木块对木板的压力为N，木块所受的摩擦力为 f，若使木板的 B 端逐渐升高时，木块仍静止，则 N 和 f 如何变化？(答案：N 减小，f 增大) 图6【解析】当我们仔细分析上述各题中研究对象的受力情况，并画出受力分析图，如果忽略物体的大小和形状，只画出其受力示意图时，你会发现，原来它们有这样多的相似之处，且可以用三力汇交原理轻松的分析并得出正确的结论。三力汇交原理是指物体在受到三个力（或三个以上力）作用的情况下，常常根据力的平行四边形法则把其中的两个力合成为一个力，然后根据初中学过的二力平衡原理求解另一个力，从而达到把一个复杂的问题简单化的目的（如图6所示，具体解法略）。【思维总结】模型方法具有较大的灵活性，每种模型也有限定的运用条件和适用范围。同学们应注重培养具体问题具体分析的科学态度，在问题面前做出选择。在解决具体问题过程中，关键是掌握模型方法，理解如何去简化和抽象，弄清为了什么目的而这样简化和抽象的。三 分清物理过程，掌握正确的解题方法在物理学习过程中，分清的物理过程是解决问题的关键，同学们应当注意到在新课标理念下的学习强化了对三维目标的落实，在未来的高考中将加大考查“三维目标”落实情况的力度，其中“知识与技能”也是传统教学理念下高考考查的重点，“情感与价值观”很难在高考命题和答卷中得到体现，因此未来高考变化最大的应当是加大对“过程与方法”的考查力度。因此，同学们在高一阶段学习物理时就应注重对过程与方法考察问题的思考和训练。【例6】（广东物理1）下列对运动的认识不正确的是A亚里士多德认为物体的自然状态是静止的，只有当它受到力的作用才会运动B伽利略认为力不是维持物体速度的原因C牛顿认为力的真正效应总是改变物体的速度，而不仅仅是使之运动D伽利略根据理想实验推论出，如果没有摩擦，在水平面上的物体，一旦具有某一个速度，将保持这个速度继续运动下去【灵犀一点】物理学发展史本身就是重要的知识财富【解析】亚里士多德认为没有力作用在物体上，物体就不会运动是错误的认识。伽利略认为力不是维持物体运动的原因，伽利略根据理想实验推论出，如果没有摩擦，在水平面上的物体，一旦具有某一个速度，将保持这个速度继续运动下去。牛顿认为力是改变物体运动状态的原因，并不是使物体运动的原因。故答案为A。而从这些方面的变化我们也能看出未来高考的发展趋势，这一点我们从刚刚结束的全国统一考试的各类物理试题中可以寻找到课改的信息，并对2007年高考内容和方式做出准确的预测。【思维总结】本题涉及到亚里士多德、伽利略、牛顿三个经典物理发展的重要时期，是考查考生对物理学发展过程了解的经典题，在学习物理过程中，掌握物理学发展史，了解前辈大师发现和研究物理过程和方法也是学习物理的重要内容，通过对物理发展过程的了解和大师们研究问题的方法的掌握对提高考生的综合能力作用是非常大的。所谓牛顿是站在巨人肩上，就是他善于总结前人的经验，如果我们也能做到如此，掌握研究问题的“过程与方法”，那将来想成为一代大师也不是什么难事。b000显示屏光电门光电计时器图7a【例7】随着现代生产科技的高速发展和普及，传感器、光电计时器等一些与高新技术或信息技术有关的仪器已经走进了高中物理实验室。光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器，其结构如图7所示，a、b分别是光电门的激光发射和接收装置，当有物体从a、b间通过时，光电计时器就可以显示物体的挡光时间。图812l利用如图8所示装置测量滑块与长1m左右的木板间动摩擦因数及被压缩弹簧的弹性势能，图中木板固定在水平面上，木板的左壁固定有一个处于锁定状态的压缩轻弹簧（弹簧长度与木板相比可忽略），弹簧右端与滑块接触，1和2是固定在木板上适当位置的两个光电门，与之连接的两个光电计时器没有画出。现使弹簧解除锁定，滑块获得一定的初速度后，水平向右运动，光电门1、2各自连接的计时器显示的挡光时间分别为2.0×10-2s和5.0×10-2s，用游标卡尺测量小滑块的宽度d，卡尺示数如图9所示. （1）读出滑块的宽度d= cm.（2）滑块通过光电门1的速度v1= m/s；滑动通过光电门2的速度v2= m/s；图9（3）若用米尺测量出两个光电门之间的距离为l，已知当地的重力加速为g，则滑块与木板动摩擦因数表达式为 （各量均用字母表示）。【灵犀一点】分清过程，找到规律是本题解题的关键【解析】（1）游标卡尺的读数为5.50cm （2）滑块通过第一个光电门的平均速度滑块通过第二个光电门的平均速度（3）对于滑块由牛顿第二定律得由运动学关系得 【思维总结】学会对实验的观察和数据采集是物理学习的重点，本题叙述过程较复杂，主要涉及到的过程：弹簧锁定解除，滑块弹出过程；滑块运动并经过光电门过程；游标卡尺测量滑块宽度过程。涉及到的知识点平均速度与瞬时速度的关系；牛顿第二定律；匀变速运动规律；本题是近年高考中经常出现信息题的一种，如何学会正确阅读并找出有效信息找出规律是近年高考命题者常思考的一个重要问题，专家们想通过这类命题来引导学生提高阅读和理解能力，学会化繁为简，这也是提高创新能力的重要途径之一。