第09讲动态平衡平衡中的临界与极值问题（讲义）（原卷版）

第09讲动态平衡平衡中的临界与极值问题目录复习目标网络构建考点一动态平衡【夯基·必备基础知识梳理】知识点1动态平衡及基本思路知识点2处理动态平衡问题的四种方法【提升·必考题型归纳】考向1解析法考向2图解法考向3相似三角形法考向4拉密定理法（正弦定理法或辅助圆法）考点二平衡中的临界与极值问题【夯基·必备基础知识梳理】知识点平衡中的临界、极值问题的处理方法【提升·必考题型归纳】考向1图解法考向2数学解析法真题感悟掌握处理动态平衡问题的方法。会利用数学的方法处理临界极值问题。考点要求考题统计考情分析（1）共点力的动态平衡（2）平衡中的临界极值问题2022年河北卷第7题2022年湖南卷第3题2022年1月浙江卷第5题高考对共点力的动态平衡考查相对较为频繁，解决此类问题的主要方法有解析法、图解法、三角形相似法、拉密定理法等，模型的特点相对明显。对于平衡中的临界极值问题考查的频度不是太高，如果考查，解决的方法主要是图解法和数学解析法。两个考点所考查题目的主要出现在选择题部分，难度不是太大。考点一动态平衡知识点1动态平衡及基本思路1.所谓动态平衡问题，是指通过控制某些物理量，使物体的状态发生变化，而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态，常利用图解法解决此类问题。2.基本思路：化“”为“”，“静”中求“动”。知识点2处理动态平衡问题的四种方法1.解析法：对研究对象进行受力分析，先画出受力示意图，再根据物体的平衡条件，得到因变量与自变量的关系表达式(通常要用到三角函数)，最后根据自变量的变化确定因变量的变化。2.图解法：(1)特点：物体受三个共点力，有一个力是、另有一个力的问题。(2)方法：eq\x(\a\al(受力,分析))eq\o(→,\s\up7(化“动”为“静”))eq\x(\a\al(画不同状态,下的平衡图))eq\o(→,\s\up7(“静”中求“动”))eq\x(\a\al(确定力,的变化))3.三角形相似法：(1)特点：在三力平衡问题中，如果有一个力是，另外两个力方向，且题目给出了空间几何关系。(2)方法：①对物体在某个位置作受力分析；②以两个变力为邻边，利用平行四边形定则，作平行四边形；③找出相似的力的矢量三角形和空间几何三角形；④利用相似三角形对应边的比例关系确定力的变化。4.拉密定理法（正弦定理法或辅助圆法）：(1)特点：物体受三个共点力，这三个力其中一个力为，另外两个力都，且变化两个力的夹角。(2)拉密定理：（3）辅助圆法：画出三个力的矢量三角形的外接圆，不便力为一固定弦，因为固定弦所对的圆周角大小始终不变，改变一力的方向，另一大小方向变化情况可得。考向1解析法1．如图所示，P为光滑定滑轮，O为光滑轻质动滑轮，轻绳跨过滑轮，左端与物体A相连，右端固定在杆Q上，重物B悬挂在动滑轮上。将A置于静止在粗糙水平面的斜面体上，轻绳段与斜面平行，系统处于静止状态。若将杆Q向右移动一小段距离，斜面体与物体A仍保持静止状态，待动滑轮静止后，下列说法正确的是（）

A．轻绳中拉力减小B．物体A与斜面体之间的摩擦力一定增大C．斜面体与地面之间的弹力增大D．斜面体与地面之间的摩擦力增大2．如图所示，A是圆柱体的横截面，其弧形表面光滑，与地面接触的下表面粗糙，在光滑竖直墙壁与柱体之间放置一质量为m的球体，系统处于平衡状态。若使柱体向左移动少许，球体m仍未与地面接触，系统仍处于平衡状态，则（）A．球对墙的压力变大 B．柱体与球之间的作用力变小C．柱体对地面的压力大小不变 D．柱体对地面的摩擦力大小变小考向2图解法3．在没有起重机的情况下，工人要将油桶搬运上汽车，常常用如图所示的方法。已知油桶重力大小为G，斜面的倾角为。当工人对油桶施加方向不同的推力F时，油桶始终处于匀速运动状态。假设斜面与油桶的接触面光滑。在推力F由水平方向逐渐变为竖直方向的过程中，以下关于油桶受力的说法正确的是（）A．若力F沿水平方向，F的大小为B．若力F沿水平方向，斜面对油桶的支持力大小为C．F由水平方向逐渐变为竖直方向的过程中，斜面对油桶的支持力逐渐变大D．F由水平方向逐渐变为竖直方向的过程中，推力F的最小值为4．质量均匀分布的直导体棒放置于四分之一的光滑圆弧轨道上，其截面如图所示。导体棒中通有电流强度大小为I的电流，空间存在磁感应强度大小为B的匀强磁场，磁场的方向竖直向上。导体棒平衡时，导体棒与圆心的连线跟竖直方向的夹角为），轨道对导体棒的弹力为。下列说法正确的是（）

A．若仅将电流强度I缓慢增大，则θ逐渐减小B．若仅将电流强度I缓慢增大，则逐渐减小C．若仅将磁场方向沿逆时针缓慢转过，则逐渐增大再减小D．若仅将磁场方向沿逆时针缓慢转过，则θ逐渐增大再减小考向3相似三角形法5．如图，在竖直平面内固定一光滑的半圆环，圆心为O、半径为R，OA为半圆环的竖直半径，AB为与OA在同一直线上的光滑固定杆，半圆环上套有一小球a，杆AB上套有另一小球b。两小球之间连接一轻弹簧，初始时小球a在距圆环A点右侧不远处的P点，小球b固定于杆AB上的Q点，两小球间距离为R。现用外力使小球b沿杆AB缓慢向上移动一段距离，但未到达A点。在移动过程中弹簧始终在弹性限度内且在一条直线上，两小球均可视为质点，则下列说法正确的是（）A．初始时弹簧弹力大于半圆环对小球a的弹力B．初始时弹簧弹力大于小球a的重力C．小球b沿杆缓慢向上移动过程中，环对小球a的支持力先增大后减小D．小球b沿杆缓慢向上移动过程中，弹簧弹力增大6．如图所示，木板B放置在粗糙水平地面上，O为光滑铰链。轻杆一端与铰链O固定连接，另一端固定连接一质量为m的小球A。现将轻绳一端拴在小球A上，另一端通过光滑的定滑轮由力F牵引，定滑轮位于O的正上方，整个系统处于静止状态。现改变力F的大小使小球A和轻杆从图示位置缓慢运动到正下方，木板始终保持静止，则在整个过程中（）A．外力F大小不变 B．轻杆对小球的作用力大小变小C．地面对木板的支持力逐渐变小 D．地面对木板的摩擦力逐渐减小考向4拉密定理法（正弦定理法或辅助圆法）7．如图所示，V型光滑挡板AOB之间放置有一质量均匀的球体，初始时系统处于静止状态，现将整个装置以O点为轴顺时针缓慢转动（∠AOB保持不变），在AO由水平转动90°到竖直的过程中，下列说法正确的是（）A．挡板AO的弹力逐渐增大 B．挡板AO的弹力先增大后减小C．挡板BO的弹力逐渐减小 D．挡板BO的弹力先增大后减小8．如图所示为某独轮车搬运光滑圆柱体的截面图，两挡板OA、OB可绕O点转动，且保持不变，初始时OB与水平方向夹角为60°。保持O点的位置不变，使两挡板沿逆时针方向缓慢转动至OA水平。在此过程中关于圆柱体的受力情况，下列说法正确的是（）A．挡板OA对圆柱的作用力一直增大B．挡板OA对圆柱的作用力先增大后减小C．挡板OB对圆柱的作用力一直增大D．小车对圆柱的作用力先减小后增大考点二平衡中的临界与极值问题知识点平衡中的临界、极值问题的处理方法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”等语言叙述。2．极值问题：平衡物体的极值，一般指在力的变化过程中的最大值或最小值。3．解决极值问题和临界问题的方法(1)图解法：根据物体的平衡条件，作出力的矢量图，通过对物理过程的分析，利用平行四边形定则进行动态分析，确定最大值与最小值。(2)数学解析法：通过对问题的分析，依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、三角函数极值等)。考向1图解法1．一不可伸长的细线套在两光滑且大小不计的定滑轮上，质量为m的圆环穿过细线，如图所示。现施加一作用力F使圆环保持静止状态，且细线始终有张力作用，若AC段竖直，BC段水平，AC长度等于BC长度，重力加速度为g，则下列说法正确的是（）A．F的大小不可能为mg B．F的最小值为C．大小为2mg的力F对应有两个方向 D．F的方向可能竖直向下2．如图所示，将质量为m的球放在和两个与纸面垂直的光滑板之间，两板与水平面夹角并保持静止。板固定，板与板活动连接，板可绕通过点且垂直纸面的轴转动。在角缓慢地由增大到的过程中（）A．球对板压力的最大值为 B．球对板压力的最大值为C．球对板压力的最大值为 D．球对板压力的最大值为考向2数学解析法3．一个质量为1kg的物体放在粗糙的水平地面上，现用最小的拉力拉它，使其做匀速运动，已知这个最小拉力为6N，g取10m/s2，滑动摩擦力等于最大静摩擦力。则物体与地面间的动摩擦因数μ及最小拉力与水平方向的夹角θ的正切值tanθ分别为（）A．μ=，tanθ=0 B．μ=，tanθ=C．μ=，tanθ= D．μ=，tanθ=4．如图所示，天花板下方通过支架固定一光滑轻滑轮，一足够长的细绳跨过滑轮，一端悬挂小球b，另一端与套在水平细杆上的小球a连接，小球a与b的质量分别为m和2m。在水平拉力F作用下小球a从图示虚线（最初是竖直的）位置开始缓慢向右移动至（细绳中张力大小视为不变，b球始终未触及细杆）。小球a与细杆间的动摩擦因数为。则此过程中拉力F的可能值为（）A．mg B． C． D．1．（2022年河北高考真题）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点，将木板以底边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