牛頓第二定律應(yīng)用中的臨界問題是高中物理的一個重點也是難點,解決這類問題要求學(xué)生對物理情景的理解必須十分清晰,而且對物理過程的分析也要十分透徹。而我們學(xué)生在求解臨界問題時就普遍存在著以下三個問題:
一、未能仔細(xì)對物體受力情況、狀態(tài)和運動過程進行分析,不能正確建立物體運動的情景,也就不能發(fā)現(xiàn)一些隱蔽的臨界現(xiàn)象及臨界條件,從而造成思路不清晰,過程混淆的錯誤。
二、對每種性質(zhì)運動的受力特點(即運動和力的關(guān)系)未能熟練掌握,解題時亂套公式。
三、思維狹窄,未能預(yù)見可能出現(xiàn)的多種情況。
第一步:知道什么是臨界問題。
若題目中出現(xiàn)“最大”“最小”“剛好”等詞語,常為臨界問題,但在臨界問題中很少直接出現(xiàn)這些詞語。在動力學(xué)中常見的臨界問題主要是由于彈力、摩擦力是被動力而引起的,所以凡是彈力、摩擦力發(fā)生突變的問題都可以認(rèn)為是臨界問題。
在臨界問題中臨界狀態(tài)一般比較隱蔽,它在一定條件下才會出現(xiàn)。在找臨界狀態(tài)和臨界值時,一般用極限分析法:即通過恰當(dāng)?shù)剡x取某個物理量推向極端(“極大”和“極小”,“極左”和“極右”等),分析在極端情況下可能出現(xiàn)的狀態(tài)和滿足的條件,應(yīng)用物理規(guī)律列出在極端情況下的方程,從而找出臨界條件。(極端分析往往包含有假設(shè))
第二步:熟悉動力學(xué)中的典型臨界條件。
①接觸與脫離的臨界條件:兩物體相接觸或脫離的臨界條件是彈力FN=0.
②相對靜止或相對滑動的臨界條件:兩物體相接觸且處于相對靜止時,常存在著靜摩擦力,則相對靜止或相對滑動的臨界條件:靜摩擦力達(dá)到最大值或為零.(注意:存在靜摩擦的連接系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)外力大于最大靜摩擦力時,物體間不一定有相對滑動)
③繩子斷裂與松弛的臨界條件:繩子所能承受的張力是有限的,繩子斷與不斷的臨界條件是絕對張力等于它所能承受的最大張力,繩子松弛的臨界條件是FT=0.
④加速度最大與速度最大的臨界條件:當(dāng)物體在受到變化的外力作用下運動時,其加速度和速度都會不斷變化,當(dāng)所受合外力最大時,具有最大加速度;合外力最小時,具有最小加速度。當(dāng)出現(xiàn)加速度為零時,物體處于臨界狀態(tài),所對應(yīng)的速度便會出現(xiàn)最大值或最小值。
第三步:動力學(xué)中的典型臨界問題:
一、彈力發(fā)生突變時的臨界問題
彈力發(fā)生在兩物體的接觸面之間,是一種被動力,其存在以及大小和方向取決于物體所處的運動狀態(tài)(當(dāng)運動狀態(tài)達(dá)到臨界狀態(tài)時,彈力會發(fā)生突變)。
1.相互接觸的物體間的彈力臨界問題:解決這一類問題的關(guān)鍵在于考慮物體什么時候移動,即將移動瞬間就是臨界狀態(tài)。
2.輕繩的彈力臨界問題:解決這一類問題的關(guān)鍵在于考慮物體什么時候“飄”起來。
二、摩擦力發(fā)生突變的臨界問題
摩擦力的的突變,常常導(dǎo)致物體的受力情況和運動性質(zhì)的突變,其突變點往往具有很深的隱蔽性,解決此類問題的關(guān)鍵在于分析突變情況,找出摩擦力突變的點。
1.靜摩擦力發(fā)生突變
靜摩擦力也是被動力,其存在與大小、方向取決于物體間的相對運動趨勢,而且靜摩擦力存在最大值。(靜摩擦力為零的狀態(tài),是方向變化的臨界狀態(tài);靜摩擦力達(dá)到最大值,是物體恰好保持相對靜止的臨界狀態(tài))
2.滑動摩擦力發(fā)生突變
滑動摩擦力存在于發(fā)生相對運動的物體之間,因此兩物體的速度達(dá)到相同時,滑動摩擦力要發(fā)生突變:摩擦力為0或為靜摩擦力。
三、追擊和相遇的臨界問題
在追擊問題中,速度相等是兩物體間距離最大或最小的臨界條件;在分離問題中,加速度相同是相互接觸的物體分離的臨界條件。
1.追擊中的最大或最小距離:速度相同
2.相互接觸的物體分離:加速度相同
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