物理临界与极值问题复习课程.ppt
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1、物理临界与极值问题解析解析 小小球球从从A到到C的的运运动动,可可以以类类比比为为单单摆摆,单单摆摆小小球球在在平平衡衡位位置置有有最最大大速速度度,那那么么这这个个小小球球应应该该在在B点点位位置置为平衡位置,有最大速度,这时角为平衡位置,有最大速度,这时角=30。或小球从或小球从A到到C的运动,是在重力场和电场叠加的复的运动,是在重力场和电场叠加的复合场中运动,那么重力和电场力,即复合场力与细合场中运动,那么重力和电场力,即复合场力与细绳共线位置为平衡位置(如图所示),有最大速度。绳共线位置为平衡位置(如图所示),有最大速度。GEqFEq/mg=tg 30mg l sin60 -qE l(
2、1-cos60)=mvb2/2Vb=例例题二题二一根对称的一根对称的A形玻璃管,置于竖直平面内,管所在的形玻璃管,置于竖直平面内,管所在的空间有场强空间有场强E=1000V/m、方向竖直向下的匀强电场,、方向竖直向下的匀强电场,重力重力G=1.010-3N,带电量为,带电量为-210-6C的小物体,在的小物体,在管内从管内从A点由静止开始运动,小物体与管壁间的动摩点由静止开始运动,小物体与管壁间的动摩擦因素为擦因素为0.5,管长,管长AB=BC=l=2m,管的,管的B处为一极处为一极短的光滑圆弧,管短的光滑圆弧,管AB和和BC与水平方向所夹的锐角皆与水平方向所夹的锐角皆为为37,如图所示。求:
3、(,如图所示。求:(1)小物体最终静止在何处)小物体最终静止在何处?(?(2)从)从A开始运动到静止,小物体运动的总路程开始运动到静止,小物体运动的总路程是多少?是多少?解析解析如果我们把如果我们把F合合类比作重力,把类比作重力,把A型玻璃管倒过来看,型玻璃管倒过来看,那么小物体运动就类比为在粗糙的斜面上下滑。那么小物体运动就类比为在粗糙的斜面上下滑。NfF合=qE-mg=10-3NN=F合合cos37=0.0008N f=0.5N=0.0004N=0.0008N f=0.5N=0.0004NS S总总=3m=3m球最终停在何处?球最终停在何处?例题三例题三如如图图所所示示的的容容器器是是高高
4、为为H的的立立方方体体,它它静静止止在在水水平平面面时时内内部部装装水水的的高高度度为为H/2,当当容容器器向向右右做做匀匀加加速速运运动动时时,为使容器内的水不外溢,求加速度为为使容器内的水不外溢,求加速度为a的最大值?的最大值?分析与解答:容器向右加速则左侧液面上升分析与解答:容器向右加速则左侧液面上升当左侧液面高为当左侧液面高为H H时加速度达到最大值。时加速度达到最大值。GNF合=ma=45最大最大 加速度加速度a=g由图易见由图易见F合合=mg=ma因液体的体积不变,液面的倾角为因液体的体积不变,液面的倾角为4545在液面上取一个液滴作为研究对象在液面上取一个液滴作为研究对象例题四如
5、图所示,光滑绝缘水平面上放有一个电量为如图所示,光滑绝缘水平面上放有一个电量为q q的正电荷,电荷处于竖的正电荷,电荷处于竖直放置的直放置的A、B板的中点。已知板的中点。已知AB间的距离为间的距离为L,开始电荷处于静止状,开始电荷处于静止状态。当两板之间加上一个图示的矩形交变电压时,已知交流电压的绝对态。当两板之间加上一个图示的矩形交变电压时,已知交流电压的绝对值为值为U,为使电荷在运动过程中恰不与,为使电荷在运动过程中恰不与A和和B板接触,求交流电的最大周板接触,求交流电的最大周期。期。分析与解答分析与解答电荷的运动情况如下:电荷的运动情况如下:0到到T/4匀加速,匀加速,T/4到到T/2匀
6、减速匀减速T/2时刻速度为零,位移小于等于时刻速度为零,位移小于等于L/2,电荷在,电荷在A点或点或B点点T/2到到3T/4电荷向中点匀加速,电荷向中点匀加速,3T/4时刻速度最大时刻速度最大3T/4到到T电荷向中点作匀减速运动,到达中点时速度为零。电荷向中点作匀减速运动,到达中点时速度为零。电荷是向电荷是向A还是还是T向向B运动由运动由A、B两点的电势高低决定。两点的电势高低决定。以后重复上述运动,画以后重复上述运动,画V-t图象可加深理解。图象可加深理解。tV0T/4 T/2 3T/4TL/2L/2V1-V1例题五如图的矩形水平光滑导电轨道,其中如图的矩形水平光滑导电轨道,其中ab边和边和
7、cd边长为边长为L,电阻为,电阻为5R0(电阻分布均匀),(电阻分布均匀),ad边和边和bc边长为边长为d,ad边电阻为边电阻为4R0,bc边电阻为边电阻为2R0。整个轨道处于垂直。整个轨道处于垂直轨道平面的匀强磁场中,磁感应强度为轨道平面的匀强磁场中,磁感应强度为B。一根电阻为。一根电阻为R0的金属杆放在轨道上,在平行轨道平面的拉力作用的金属杆放在轨道上,在平行轨道平面的拉力作用下,从靠近下,从靠近ad边处沿轨道以速度边处沿轨道以速度v向右匀速滑行,滑行向右匀速滑行,滑行中金属杆始终与中金属杆始终与ab边和边和cd边保持垂直,而且与轨道接边保持垂直,而且与轨道接触良好,求滑行中拉力牵引金属杆
8、的最小功率是多少触良好,求滑行中拉力牵引金属杆的最小功率是多少?例题五分析与解答金属杆切割磁感应线产生的感应电动势金属杆切割磁感应线产生的感应电动势E=LVB本题中电源电动势不变但外电阻本题中电源电动势不变但外电阻 在变化在变化设金属杆运动到与的距离为设金属杆运动到与的距离为X,则外电阻由两部分并联组成,则外电阻由两部分并联组成R左左=4R0+25R0X/L,R右右=2R0+2 5R0(L-X)/LR外外=R左左R右右/(R左左+R右右)当当X=2L/5时总电阻最大,电功率最小,时总电阻最大,电功率最小,Pi=E2/5R0拉力的功率等于电功率,最小功率为拉力的功率等于电功率,最小功率为用极值定
9、理可避免复杂的运算用极值定理可避免复杂的运算因为因为R左左+R右右=16R0,当,当R左左=R右右=8R0时时R外最大,外最大,R外最大外最大=4R0例题六一个质量为一个质量为m,电荷量为,电荷量为q的带负电的带电粒子,从的带负电的带电粒子,从A点射入宽度为点射入宽度为d磁感应强度为磁感应强度为B的匀强磁场,的匀强磁场,MN、PQ为该磁场的边缘,磁感线垂直于纸面向里。带电粒子为该磁场的边缘,磁感线垂直于纸面向里。带电粒子射入时的初速度与射入时的初速度与PQ成成450,且它恰好没有从,且它恰好没有从MN射出。射出。(1)求该带电粒子的初速度求该带电粒子的初速度V0.(2)求该带电粒子从求该带电粒
10、子从PQ边边射出的射出点到射出的射出点到A点的距离点的距离S.例题六分析与解答先画粒子的运动轨迹,关键是查找圆心位置先画粒子的运动轨迹,关键是查找圆心位置450R1R1(1+cos450)=d,R1=mV01/qB粒子的运动还有另一种可能粒子的运动还有另一种可能450R2例题七如图所示,固定在竖直面内的半径为如图所示,固定在竖直面内的半径为R的的1/4光滑圆弧轨道光滑圆弧轨道AB底端底端的切线水平,并和水平光滑轨道的切线水平,并和水平光滑轨道BC连接一根轻杆两端和中点分连接一根轻杆两端和中点分别固定有相同的小铁球(铁球可看作质点),静止时两端的小铁别固定有相同的小铁球(铁球可看作质点),静止时
11、两端的小铁球恰好位于球恰好位于A、B两点求:释放后杆和小球的最大速度。两点求:释放后杆和小球的最大速度。分析与解答分析与解答把把 三小球组成的系统作为研究对象三小球组成的系统作为研究对象系统的机械能守恒系统的机械能守恒以以BC面的重力势能为零面的重力势能为零静止时为初态,初态机械能静止时为初态,初态机械能E1=mgR+mgR/2三个球全部到水平面时为终态,终态机械能为三个球全部到水平面时为终态,终态机械能为E2=3mV2/2E1=E2,3mgR/2=3mV2/2最大速度为最大速度为例题八下图是打秋千的示意图。最初人直立站在踏板上(下图是打秋千的示意图。最初人直立站在踏板上(A点点所示),绳与竖
12、直方向成所示),绳与竖直方向成角,人的重心到悬点角,人的重心到悬点O的距的距离为离为L1;从;从A点向最低点点向最低点B运动过程中,人由直立状态运动过程中,人由直立状态自然下蹲,在自然下蹲,在B点人的重心到悬点点人的重心到悬点O的距离为的距离为L2;在最;在最低点处,人突然由下蹲状态变成直立状态低点处,人突然由下蹲状态变成直立状态(人的重心到人的重心到悬点悬点O的距离恢复为的距离恢复为L1)且保持该状态到最高点且保持该状态到最高点C。设人。设人的质量为的质量为m,踏板和绳的质量不计,空气阻力不计。求,踏板和绳的质量不计,空气阻力不计。求:(:(1)人刚到最低点)人刚到最低点B还处于下蹲状态时,
13、两根绳中还处于下蹲状态时,两根绳中的总拉力的总拉力F为多大?为多大?(2)人到达左端最高点)人到达左端最高点C时,时,绳与竖直方向的夹角绳与竖直方向的夹角为多大?(用反三角函数表示)为多大?(用反三角函数表示)例题八分析与解答以人为研究对象,自然下蹲是重力做功以人为研究对象,自然下蹲是重力做功从从A到到B只有重力做功故机械能守恒只有重力做功故机械能守恒减少的势能等于增加的动能减少的势能等于增加的动能mV2/2=mgL2-mgL1cos 在在 最低点最低点F-mg=mV2/L2 F=3mg-2mgL1cos/L2 从从B到到C,人在站立过程中克服重力作功机械能不守恒人在站立过程中克服重力作功机械
14、能不守恒W人人=mg(L2-L1)从从A到到C由动能定理由动能定理 W人人+W重力重力=0-0,W重力重力 =mgL1(1-cos)L1(1-cos)cos -cos =(L2-L1)/L1,cos=cos -(L2-L1)/L1 可见可见大于大于,秋千摆得比秋千摆得比A点高了。点高了。练习题1、竖直向上射出的子弹,到达最高点又竖直下落,设空竖直向上射出的子弹,到达最高点又竖直下落,设空气阻力与速度成正比,并设整个运动过程中子弹沿一气阻力与速度成正比,并设整个运动过程中子弹沿一直线作变速运动,求子弹加速度最大和最小的时刻。直线作变速运动,求子弹加速度最大和最小的时刻。WW分析与解答分析与解答上
15、升阶段加速度向下上升阶段加速度向下mg+f=ma a=g+f/m射出时速度最大,射出时速度最大,f f最小最小上升阶段,子弹刚射出的时加速离最大上升阶段,子弹刚射出的时加速离最大。下落阶段下落阶段mgfmgf,加速度向下,加速度向下mg-f=maa=g-a=g-f/m/m落地时瞬时速度最大,落地时瞬时速度最大,f最大,最大,aa最小最小从从整整个个过过程程看看,加加速速度度最最大大时时刻刻是是射射出出瞬瞬间间,加速度最小时刻是落地瞬间。加速度最小时刻是落地瞬间。练习题练习题2悬在悬在O点的长为点的长为l的绝缘细线上挂着质量为的绝缘细线上挂着质量为m、带电、带电量为量为+q的小球在水平向右的匀强
16、电场的作用下,向的小球在水平向右的匀强电场的作用下,向右偏到右偏到45角的位置平衡,如图所示,求:(角的位置平衡,如图所示,求:(1)电)电场强度;(场强度;(2)小球在平衡位置做小角度摆动的周期;)小球在平衡位置做小角度摆动的周期;(3)若要小球能在竖直平面上完成一个完整的圆周)若要小球能在竖直平面上完成一个完整的圆周运动,则应给小球施加的最小的切线方向的初速度运动,则应给小球施加的最小的切线方向的初速度为多少?为多少?练习题练习题2思路点拨思路点拨分析小球的受力情况即可解(分析小球的受力情况即可解(1)E=mg/qmgEqF合BACD在在D点小球的速度至少是多大?点小球的速度至少是多大?(
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