精練17- 11第十七部分 物理思維方法十一、臨界問(wèn)題選擇題1. (多選)(2014·新課標(biāo)全國(guó)卷,20)如圖4,兩個(gè)質(zhì)量均為m的小木塊ab(可視為質(zhì)點(diǎn))放在水平圓盤(pán)上,a與轉(zhuǎn)軸OO的距離為l,b與轉(zhuǎn)軸的距離為2l,木塊與圓盤(pán)的最大靜摩擦力為木塊所受重力的k倍,重力加速度大小為g。若圓盤(pán)從靜止開(kāi)始繞轉(zhuǎn)軸緩慢地加速轉(zhuǎn)動(dòng),用ω表示圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度,下列說(shuō)法正確的是 (  )4A.b一定比a先開(kāi)始滑動(dòng)B.a、b所受的摩擦力始終相等C.ωb開(kāi)始滑動(dòng)的臨界角速度D.當(dāng)ω時(shí),a所受摩擦力的大小為kmg【參考答案】AC2如圖5所示,長(zhǎng)為L的輕桿一端固定質(zhì)量為m的小球,另一端固定在轉(zhuǎn)軸O,現(xiàn)使小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),P為圓周的最高點(diǎn),若小球通過(guò)圓周最低點(diǎn)時(shí)的速度大小為,忽略摩擦阻力和空氣阻力,則以下判斷正確的是(  )5A.小球不能到達(dá)P點(diǎn)B.小球到達(dá)P點(diǎn)時(shí)的速度大于C.小球能到達(dá)P點(diǎn),且在P點(diǎn)受到輕桿向上的彈力D.小球能到達(dá)P點(diǎn),且在P點(diǎn)受到輕桿向下的彈力【參考答案】C3.(多選)如圖6所示,豎直放置的光滑圓軌道被固定在水平地面上,半徑r0.4 m,最低點(diǎn)處有一小球(半徑比r小很多),現(xiàn)給小球一水平向右的初速度v0,則要使小球不脫離圓軌道運(yùn)動(dòng),v0應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足(g10 m/s2)(  )6A.2 m/s     B.4 m/s     C.6 m/s      D.8 m/s【參考答案】ACD【名師解析】解決本題的關(guān)鍵是全面理解“小球不脫離圓軌道運(yùn)動(dòng)”所包含的兩種情況:(1)小球通過(guò)最高點(diǎn)并完成圓周運(yùn)動(dòng);(2)小球沒(méi)有通過(guò)最高點(diǎn),但小球沒(méi)有脫離圓軌道。對(duì)于第(1)種情況,當(dāng)v0較大時(shí),小球能夠通過(guò)最高點(diǎn),這時(shí)小球在最高點(diǎn)處需要滿(mǎn)足的條件是mgmv2/r,又根據(jù)機(jī)械能守恒定律有mv2+2mgrmv,可求得v0≥2 m/s,對(duì)于第(2)種情況,當(dāng)v0較小時(shí),小球不能通過(guò)最高點(diǎn),這時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界條件是小球上升到與圓心等高位置處,速度恰好減為零,根據(jù)機(jī)械能守恒定律有mgrmv,可求得v0≤2 m/s,所以v0≥2 m/s或v0≤2 m/s均符合要求,故選項(xiàng)A、C、D正確。4.如圖7所示,球網(wǎng)上沿高出桌面H,網(wǎng)到桌邊的距離為L。某人在乒乓球訓(xùn)練中,從左側(cè)處,將球沿垂直于網(wǎng)的方向水平擊出,球恰好通過(guò)網(wǎng)的上沿落到右側(cè)桌邊緣。設(shè)乒乓球的運(yùn)動(dòng)為平拋運(yùn)動(dòng)。則乒乓球(  )7A.在空中做變加速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)B.在水平方向做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)C.在網(wǎng)的右側(cè)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是左側(cè)的2D.擊球點(diǎn)的高度是網(wǎng)高的2【參考答案】C5.(多選)如圖8所示,一個(gè)固定在豎直平面上的光滑半圓形管道,管道里有一個(gè)直徑略小于管道內(nèi)徑的小球,小球在管道內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),從B點(diǎn)脫離后做平拋運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)0.3 s后又恰好垂直與傾角為45°的斜面相碰。已知半圓形管道的半徑R1 m,小球可看做質(zhì)點(diǎn)且其質(zhì)量為m1 kgg10 m/s2。則(  )8A.小球在斜面上的相碰點(diǎn)CB點(diǎn)的水平距離是0.9 mB.小球在斜面上的相碰點(diǎn)CB點(diǎn)的水平距離是1.9 mC.小球經(jīng)過(guò)管道的B點(diǎn)時(shí),受到管道的作用力FNB的大小是1 ND.小球經(jīng)過(guò)管道的B點(diǎn)時(shí),受到管道的作用力FNB的大小是2 N【參考答案】AC[來(lái)源:ZX]6.(多選)(2015·浙江理綜)如圖9所示為賽車(chē)場(chǎng)的一個(gè)水平U”形彎道,轉(zhuǎn)彎處為圓心在O點(diǎn)的半圓,內(nèi)外半徑分別為r2r。一輛質(zhì)量為m的賽車(chē)通過(guò)AB線(xiàn)經(jīng)彎道到達(dá)AB線(xiàn),有如圖所示的、三條路線(xiàn),其中路線(xiàn)是以O為圓心的半圓,OOr。賽車(chē)沿圓弧路線(xiàn)行駛時(shí),路面對(duì)輪胎的最大徑向靜摩擦力為Fmax。選擇路線(xiàn),賽車(chē)以不打滑的最大速率通過(guò)彎道(所選路線(xiàn)內(nèi)賽車(chē)速率不變,發(fā)動(dòng)機(jī)功率足夠大),則(  )9A.選擇路線(xiàn),賽車(chē)經(jīng)過(guò)的路程最短B.選擇路線(xiàn),賽車(chē)的速率最小C.選擇路線(xiàn),賽車(chē)所用時(shí)間最短D.、、三條路線(xiàn)的圓弧上,賽車(chē)的向心加速度大小相等【參考答案】ACD7.(多選)如圖10所示,在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上放一個(gè)質(zhì)量M2.0 kg的木塊,它與臺(tái)面間的最大靜摩擦力Ffm6.0 N,繩的一端系住木塊,另一端穿過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的中心孔O(為光滑的)懸吊一質(zhì)量m1.0 kg的小球,當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)以ω5.0 rad/s的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),欲使木塊相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)靜止,則它到O孔的距離可能是(  )10A.6 cm   B.15 cmC.30 cm   D.34 cm【參考答案】BC【名師解析】轉(zhuǎn)臺(tái)以一定的角速度ω旋轉(zhuǎn),木塊M所需的向心力與回旋半徑r成正比,在離O點(diǎn)最近處rr1時(shí),M有向O點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),這時(shí)摩擦力Ff沿半徑向外,剛好達(dá)最大靜摩擦力Ffm,即mgFfm2r1r1 m=0.08 m=8 cm同理,M在離O點(diǎn)最遠(yuǎn)處rr2時(shí),有遠(yuǎn)離O點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),這時(shí)摩擦力Ff的方向指向O點(diǎn),且達(dá)到最大靜摩擦力Ffm,即mgFfm2r2r2 m=0.32 m=32 cm則木塊M能夠相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)靜止,回旋半徑r應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式r1rr2。選項(xiàng)B、C正確。計(jì)算題1.如圖3所示,水平轉(zhuǎn)臺(tái)上放有質(zhì)量均為m的兩個(gè)小物塊A、BA離轉(zhuǎn)軸中心的距離為L,AB間用長(zhǎng)為L的細(xì)線(xiàn)相連。開(kāi)始時(shí),A、B與軸心在同一直線(xiàn)上,細(xì)線(xiàn)剛好被拉直,A、B與水平轉(zhuǎn)臺(tái)間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ,最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,求:3(1)當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度達(dá)到多大時(shí)細(xì)線(xiàn)上開(kāi)始出現(xiàn)張力?(2)當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度達(dá)到多大時(shí)A物塊開(kāi)始滑動(dòng)?【審題指導(dǎo)】(1)轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度較小時(shí),向心力由什么力來(lái)提供?靜摩擦力(2)物塊AB誰(shuí)先達(dá)到最大靜摩擦力?物塊B(3)細(xì)線(xiàn)上何時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)張力?物塊B達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)(4)細(xì)線(xiàn)上有張力時(shí),誰(shuí)提供物塊A、B的向心力,列出表達(dá)式?對(duì)AFfAF2rA__對(duì)BFfmF2rB(5)兩物塊何時(shí)開(kāi)始滑動(dòng)?物塊A達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)開(kāi)始滑動(dòng),即Ffmμmg【名師解析】 (1)細(xì)線(xiàn)上開(kāi)始出現(xiàn)張力時(shí),B物塊受到的靜摩擦力剛好達(dá)到最大值,在此臨界狀態(tài)時(shí),細(xì)線(xiàn)上的張力還是零。對(duì)B物塊,由牛頓第二定律得μmgrBrB=2L,解得此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度ω1答案 (1) (2)方法提煉解決此類(lèi)問(wèn)題的一般思路首先要考慮達(dá)到臨界條件時(shí)物體所處的狀態(tài),其次分析該狀態(tài)下物體的受力特點(diǎn),最后結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí),列出相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程綜合分析。[來(lái)源:學(xué).科.網(wǎng)]2.在水平軌道上有兩列火車(chē)AB相距sA車(chē)在后面做初速度為v0、加速度大小為2a的勻減速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),而B車(chē)同時(shí)做初速度為零、加速度大小為a.的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),兩車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相同.要使兩車(chē)不相撞,求A車(chē)的初速度v0滿(mǎn)足的條件.【名師解析A車(chē)的位移x1=v0t+·(-2a)t2B車(chē)的位移x2=at2x1=x2+s即:v0t+·(-2a)t2=at2+s整理得:3 at2-2v0t +2s=0這是一個(gè)關(guān)于時(shí)間t的一元二次方程,當(dāng)根的判別式小于零時(shí),t無(wú)實(shí)數(shù)解,即兩車(chē)不相撞。(2v0)2-4×3a×2s<0,解得v0A車(chē)的初速度v0滿(mǎn)足的條件是:v0。3.(2012·重慶理綜)某校舉行托乒乓球跑步比賽,賽道為水平直道,比賽距離為s。比賽時(shí),某同學(xué)將球置于球拍中心,以大小為a的加速度從靜止開(kāi)始做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)速度達(dá)到v0時(shí),再以v0做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)跑至終點(diǎn)。整個(gè)過(guò)程中球一直保持在球拍中心不動(dòng)。比賽中,該同學(xué)在勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)階段保持球拍的傾角為θ0,如115A圖所示。設(shè)球在運(yùn)動(dòng)中受到空氣阻力大小與其速度大小成正比,方向與運(yùn)動(dòng)方向相反,不計(jì)球與球拍之間的摩擦,球的質(zhì)量為m,重力加速度為g。1)求空氣阻力大小與球速大小的比例系數(shù);2)求在加速跑階段球拍傾角θ隨速度v變化的關(guān)系式;[來(lái)源:]3)整個(gè)勻速跑階段,若該同學(xué)速度仍為v0,而球拍的傾角比θ0大了β并保持不變,不計(jì)球在球拍上的移動(dòng)引起的空氣阻力變化,為保證到達(dá)終點(diǎn)前球不從球拍上距離中心為r的下邊沿掉落,求β應(yīng)滿(mǎn)足的條件。名師解析】:1)在勻速運(yùn)動(dòng)階段,有mgtanθ0=kv0,解得:k=tanθ02)加速階段,設(shè)球拍對(duì)球的支持力為N’,有N’sinθ-kv=ma,N’cosθ=mg聯(lián)立解得:tanθ=+tanθ0球不從球拍上掉落的條件為  a’t2≤r。解得sinβcosθ032003全國(guó)新課標(biāo))中子星是恒星演化過(guò)程中的一種可能結(jié)果,它的密度很大。現(xiàn)有一種子星,觀測(cè)到它的自轉(zhuǎn)周期為T=1/30 s,問(wèn)該中子星的最小密度應(yīng)是多少才能維持該星體的穩(wěn)定,不致因自轉(zhuǎn)而瓦解?計(jì)算時(shí)星體可視為均勻球體。(引力常數(shù)G=6.67×10-11N·m2/kg2)【名師解析】設(shè)位于赤道處的小塊物質(zhì)質(zhì)量為m,物體受到的中子星的萬(wàn)有引力恰好提供向心力,這時(shí)中子星不瓦解且有最小密度,由萬(wàn)有引力定律結(jié)合牛頓第二定律得:G=m()2R 又因ρ=M/V,V=πR3,聯(lián)立解得ρ=。代入數(shù)據(jù)解得:ρ=1.27×1014kg/m34.(2004·上海物理)滑雪者從A點(diǎn)由靜止沿斜面滑下,沿一平臺(tái)后水平飛離B點(diǎn),地面上緊靠平臺(tái)有一個(gè)水平臺(tái)階,空間幾何尺度如題117A圖所示,斜面、平臺(tái)與滑雪板之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ.????????????? 假設(shè)滑雪者由斜面底端進(jìn)入平臺(tái)后立即沿水平方向運(yùn)動(dòng),且速度大小不變.求:1)滑雪者離開(kāi)B點(diǎn)時(shí)的速度大??;2)滑雪者從B點(diǎn)開(kāi)始做平拋運(yùn)動(dòng)的水平距離s.2)設(shè)滑雪者離開(kāi)B點(diǎn)后落在臺(tái)階上可解得                      此時(shí)必須滿(mǎn)足                    當(dāng)                               時(shí),滑雪者直接落到地面上, 可解得                    5.2007·全國(guó)理綜1)兩平面熒光屏互相垂直放置,在兩屏內(nèi)分別取垂直于兩屏交線(xiàn)的直線(xiàn)為xy軸,交點(diǎn)O為原點(diǎn),如圖所示。在y>00<x<a的區(qū)域有垂直于紙面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場(chǎng),在y>0x>a的區(qū)域有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng),兩區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。在O點(diǎn)出有一小孔,一束質(zhì)量為m、帶電量為qq>0)的粒子沿x周經(jīng)小孔射入磁場(chǎng),最后打在豎直和水平熒光屏上,使熒光屏發(fā)亮。入射粒子的速度可取從零到某一最大值之間的各種數(shù)值。已知速度最大的粒子在0<x<a的區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與在x>a的區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間之比為25,在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為7T/12,其中T為該粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期。試求兩個(gè)熒光屏上亮線(xiàn)的范圍(不計(jì)重力的影響)。【名師解析】粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),qvB=m,解得:r=速度小的粒子將在x<a的區(qū)域走完半圓,射到豎直屏上。半圓的直徑在y軸上,半徑的范圍從0a,豎直熒光屏上發(fā)亮的范圍從02a。軌道半徑大于a的粒子開(kāi)始進(jìn)入右側(cè)磁場(chǎng)??紤]r=a的極限情況,這種粒子在右側(cè)的圓軌跡與x軸在D點(diǎn)相切(圖中虛線(xiàn)),OD=2a,這是水平熒光屏上發(fā)亮范圍的左邊界。速度最大的粒子的軌跡如圖這實(shí)線(xiàn)所示。由兩段圓弧組成,圓心分別是CC’ ,Cy軸上, 由對(duì)稱(chēng)性可知C’x=2a直線(xiàn)上。設(shè)t1為粒子在0<x<a的區(qū)域運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,t2為粒子在x>a的區(qū)域運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,由題意可知:由此解得,    。由上面兩式和對(duì)稱(chēng)性可得:OCM=60°,MC’N=60°MC’P=360°×5/12=150°,所以:NC’P=150°-60°=90°即弧NP1/4圓周,因此圓心C’x軸上。6.2015深圳第一次五校聯(lián)考).18分)如圖所示,內(nèi)圓半徑r、外圓半徑為3r的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)圓環(huán)左側(cè)的平行板電容器兩板間電壓為U,靠近M板處?kù)o止釋放質(zhì)量為m、 電量為q的正離子,經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速后從N板小孔射出,并沿圓環(huán)直徑方向射磁場(chǎng),不計(jì)離子的重力,忽略平行板外的電場(chǎng)。求:1)離子從N板小孔射出時(shí)的速率;2)離子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期;3)要使離子不進(jìn)入小圓區(qū)域,電壓U的取值范圍。【名師解析】(1)設(shè)離子射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的速率為v,由動(dòng)能定理得:     ...... 3   ......2 (3)若離子恰好不進(jìn)入小圓,設(shè)離子與小圓相切時(shí)軌道半徑為R0,此時(shí)軌跡如圖所示由幾何關(guān)系得:  ......2  [來(lái)源:學(xué)§§網(wǎng)Z§X§X§K]解得:  ......1   ......1     ......1......1 聯(lián)立解得   ......27 114A圖所示,一大木箱放在平板車(chē)的后部,到駕駛室的距離為L=1.60m,木箱與平板車(chē)之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.484,平板車(chē)以恒定的速度v0=22.0m/s勻速行駛,突然駕駛員剎車(chē),使車(chē)均勻減速,為不讓木箱撞擊駕駛室,從開(kāi)始剎車(chē)到車(chē)完全停定,至少要經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間?(g10.0m/s2【名師解析】設(shè)平板車(chē)的加速度為a1,車(chē)經(jīng)時(shí)間t停定,車(chē)的位移為s1,則:
v0-a1t=0   
v022a1s1
[來(lái)源:Zx.Com]當(dāng)a1取最大值5.0m/s2代入t4.4s  即為不讓木箱撞擊駕駛室,從開(kāi)始剎車(chē)到車(chē)完全停定,至少要經(jīng)過(guò)4.4s。    

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