第二章　第9课时　专题强化：动态平衡和临界、极值问题-2027版高考物理一轮复习

第9课时专题强化：动态平衡和临界、极值问题目标要求1.学会用图解法、解析法等解决动态平衡问题。2.会分析平衡中的临界与极值问题。考点一动态平衡问题动态平衡是指物体的受力状态缓慢发生变化，但在变化过程中，每一个状态均可视为平衡状态。常用方法：图解法、解析法、相似三角形法、辅助圆法、正弦定理法。1.一力恒定，另一力方向不变的动态平衡问题一个力(F1)恒定，另一个力(F2)方向不变，作出不同状态下的矢量三角形，确定力大小的变化。若F1与F2垂直，三力构成直角三角形，如图甲所示，θ增大时，F2、F3都增大。若F1与F2不垂直，当F3⊥F2时，F3有最小值，F3min=F1sinθ，如图乙所示。例1(2025·江苏无锡市检测)半圆柱体P放在粗糙的水平地面上，其右端有一固定放置的竖直挡板MN。在半圆柱体P和MN之间放有一个光滑的均匀小圆柱体Q，整个装置处于平衡状态，如图所示是这个装置的纵截面图。现使MN保持竖直并且缓慢地向右平移，在Q滑落到地面之前，发现P始终保持静止。则在此过程中，下列说法中正确的是()A.MN对Q的弹力逐渐减小B.地面对P的摩擦力逐渐增大C.P、Q间的弹力先减小后增大D.Q所受的合力逐渐增大答案B解析对Q受力分析，F1表示P对Q的弹力，F2表示MN对Q的弹力，F2的方向水平向左保持不变，如图所示，分析可知F1与F2都逐渐增大，故A、C错误；对P、Q整体受力分析，由平衡条件得，Ff=F2，由于F2不断增大，故Ff不断增大，故B正确；由于挡板MN缓慢移动，Q处于平衡状态，所受合力为零，故D错误。2.一力恒定，另两力方向均变化的动态平衡问题一力恒定(如重力)，其他两力的方向均变化，但两力分别与绳子、两物体重心连线方向平行，即三力构成的矢量三角形与△ACO几何三角形相似，则对应边比值相等。基本矢量图，如图所示基本关系式：mgH=FNR例2(2025·江苏苏州市调研)如图所示为一简易起重装置，AC是上端带有小滑轮的固定支架，BC为质量不计的轻杆，杆的一端C用铰链固定在支架上，另一端B悬挂一个质量为m的重物，并用轻质钢丝绳跨过滑轮A连接在卷扬机上。开始时，杆BC与AC的夹角∠BCA>90°，现使∠BCA缓慢变小，直到∠BCA=30°(不计一切阻力)。在此过程中，杆BC所产生的弹力()A.大小不变 B.逐渐增大C.先增大后减小 D.先减小后增大答案A解析以结点B为研究对象，分析受力情况，作出力的合成图如图，根据平衡条件知，G、FN的合力F合与F大小相等、方向相反。根据三角形相似得GAC=F合AB=FNBC，得F∠BCA缓慢变小的过程中，AC、BC不变，则FN不变，故杆BC所产生的弹力大小不变，故选A。3.一力恒定，另外两力方向均变化，但两力方向夹角保持不变的动态平衡问题利用正弦定理或利用辅助圆，恒力为圆的一条弦，恒力所对应角的顶点在圆上移动，可保持圆心角不变，根据不同位置判断各力的大小变化。例3如图，柔软轻绳ON的一端O固定，其中间某点M拴一重物，用手拉住绳的另一端N。初始时，OM竖直且MN被拉直，OM与MN之间的夹角为α(α>π2)。现将重物向右上方缓慢拉起，并保持夹角α不变。在OM由竖直被拉到水平的过程中()A.MN上的张力逐渐减小B.MN上的张力先增大后减小C.OM上的张力逐渐增大D.OM上的张力先增大后减小答案D解析方法一辅助圆法以重物为研究对象分析受力情况，受重力mg、OM绳上拉力F2、MN上拉力F1，由题意知，三个力的合力始终为零，矢量三角形如图所示，F1、F2的夹角不变，在F2转至水平的过程中，矢量三角形在同一外接圆上，由图可知，MN上的张力F1逐渐增大，OM上的张力F2先增大后减小，所以A、B、C错误，D正确。方法二正弦定理法根据正弦定理mgsinθ3=F1sinθ1=F2sinθ2，mg与sinθ3保持不变，sinθ1变大，F1分析动态平衡问题的流程受力分析画不同状态下的受力平衡图构造矢量三角形4.多个共点力作用下的动态平衡问题例4(2026·江苏宿迁市检测)《墨经》中记载古代建造房屋过程中，通过斜面提升重物，如图所示，若斜面体、重物和地面均粗糙，轻质定滑轮表面光滑，则用大小不变的力F在缓慢拉升重物的过程中，斜面体始终保持静止，下列判断正确的是()A.斜面体受到地面的摩擦力变小B.斜面体受到地面的支持力变大C.重物受到的摩擦力变大D.重物受到的支持力变大答案A解析用大小不变的力F在缓慢拉升重物的过程中，设拉重物的绳子与斜面的夹角为θ，斜面倾角为α，以重物为研究对象，根据平衡条件可得Fsinθ+FN1=mgcosα，Fcosθ=mgsinα+Ff1解得FN1=mgcosα-Fsinθ，Ff1=Fcosθ-mgsinα由题知，在缓慢拉升重物的过程中θ不断变大，α不变，可知重物受到的支持力FN1变小，重物受到的摩擦力Ff1变小，故C、D错误；以斜面体和重物整体为研究对象，根据平衡条件可得(M+m)g-Fsin(θ+α)=FN2，Fcos(θ+α)=Ff2由题知，在缓慢拉升重物的过程中θ不断变大，α不变，可知斜面体受到地面的支持力FN2变小，斜面体受到地面的摩擦力Ff2变小，故A正确，B错误。考点二平衡中的临界、极值问题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。临界问题常见的种类：(1)由静止到运动，摩擦力达到最大静摩擦力。(2)绳子恰好伸直，拉力F=0。(3)刚好离开接触面，支持力FN=0。2.极值问题平衡中的极值问题，一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题。3.解题方法(1)极限法：首先要正确地进行受力分析和过程分析，把某个物理量推向极端(极大或极小)，从而找出平衡的临界点和极值点。(2)数学分析法：根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、公式极值、三角函数极值)。(3)物理分析法：根据物体的平衡条件，作出力的矢量图，利用平行四边形定则进行动态分析，确定最大值与最小值。例5如图所示，质量M=4kg的物块甲置于倾角为37°的固定斜面上，物块甲与斜面间动摩擦因数μ=0.5，物块甲与斜面间最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力大小。质量为m=3kg的物块乙通过三段轻绳悬挂，三段轻绳的结点为O，水平轻绳OA与物块甲连接于A点，轻绳OB与水平方向夹角也为37°。对物块甲施加沿斜面向上的力F(图中未画出)使甲、乙两物块均静止。已知sin37°=0.6，cos37°=0.8，重力加速度g取10m/s2。求：(1)轻绳OA的弹力FTOA大小和轻绳OB的弹力FTOB大小；(2)斜面对甲的弹力FN大小；(3)力F大小的取值范围。答案(1)40N50N(2)8N(3)52N≤F≤60N解析(1)对结点O，由平衡条件得FTOBcos37°=FTOA，FTOBsin37°=mg解得FTOA=40N，FTOB=50N(2)对物块甲进行受力分析，在垂直斜面方向，由受力平衡可得FN=Mgcos37°-FTOAsin37°=8N(3)甲受到的最大静摩擦力为Ffm=μFN=4N当拉力F较小，且沿斜面向上的摩擦力达到最大静摩擦力时，由平衡条件可得F1+Ffm=Mgsin37°+FTOAcos37°解得F1=52N当拉力F较大，且沿斜面向下的摩擦力达到最大静摩擦力时，由平衡条件可得F2=Mgsin37°+FTOAcos37°+Ffm解得F2=60N故力F大小的取值范围为52N≤F≤60N。例6如图所示，质量m=5.2kg的金属块放在水平地面上，在斜向右上的拉力F作用下，向右以v0的速度做匀速直线运动。已知金属块与地面间的动摩擦因数μ=0.2，g取10m/s2。求所需拉力F的最小值。答案226N解析方法一三角函数法设拉力与水平方向夹角为θ，根据平衡条件有Fcosθ=μ(mg-Fsinθ)，整理得F=μmgcosθ+μsinθ=μmg1+μ2当θ=π2-β时F故所需拉力F的最小值Fmin=μmg1+μ2=226方法二利用“摩擦角”法设FN与Ff的合力与FN方向的夹角为α，则tanα=FfFN=再设FN与Ff的合力为F'。如图所示，当拉力F与F'垂直时有最小值即Fmin=mgsinα ②由①②得Fmin=226N。在力的方向发生变化的平衡问题中求力的极小值时，一般利用三角函数求极值。也可利用“摩擦角”将四力平衡转化为三力平衡，从而求拉力的最小值。例如：如图所示，物体在拉力F作用下做匀速直线运动，改变θ大小，求拉力的最小值时，可以用支持力与摩擦力的合力F'代替支持力与摩擦力，FN与Ff的合力F'方向一定，即“摩擦角”α满足tanα=FfFN=μ，则Fmin=mgsinα，此时θ课时精练[分值：60分][1~7题，每题4分]1.(2024·山东卷·2)如图所示，国产人形机器人“天工”能平稳通过斜坡。若它可以在倾角不大于30°的斜坡上稳定地站立和行走，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则它的脚和斜面间的动摩擦因数不能小于()A.12 B.33 C.2答案B解析根据题意可知机器人“天工”可以在倾角不大于30°的斜坡上稳定地站立和行走，对“天工”分析有mgsin30°≤μmgcos30°可得μ≥tan30°=3故选B。2.(2025·河北卷·4)如图，内壁截面为半圆形的光滑凹槽固定在水平面上，左右边沿等高。该截面内，一根不可伸长的细绳穿过带有光滑孔的小球，一端固定于凹槽左边沿，另一端过右边沿并沿绳方向对其施加拉力F。小球半径远小于凹槽半径，所受重力大小为G。若小球始终位于内壁最低点，则F的最大值为()A.12G B.22G C.G D.答案B解析对小球进行受力分析可知当凹槽底部对小球支持力为零时，此时拉力F最大，根据平衡条件有2Fmcos45°=G，解得Fm=22G，故选B3.(2026·江苏南通市检测)如图所示，无人机在空中作业时，受到一个方向始终斜向左下方、大小随时间缓慢减小的拉力F。无人机经飞控系统实时调控，在拉力F、空气作用力和重力作用下沿水平方向做匀速直线运动，则无人机受到的()A.合力方向缓慢变化B.合力大小缓慢增大C.空气作用力方向不变D.空气作用力大小缓慢减小答案D解析无人机经飞控系统实时调控，在拉力、空气作用力和重力作用下沿水平方向做匀速直线运动，合力始终为零，故A、B错误；无人机受到的空气作用力与重力和拉力的合力等大反向，随着F的减小，重力和拉力的合力如图所示，可知无人机受到空气作用力的方向会改变，大小缓慢减小，故C错误，D正确。4.(2025·江苏高邮市检测)如图所示，质量分布均匀的细棒中心为O点，O1为光滑铰链，O2为光滑轻质定滑轮，且O2在O1正上方，铰链与滑轮大小均忽略不计，细绳跨过O2与O连接，水平外力F作用于细绳的一端。用FN表示铰链对细棒的作用力，现在水平外力F作用下，θ从π2缓慢减小到0的过程中，下列说法正确的是(A.F逐渐变小，FN大小不变B.F逐渐变小，FN逐渐变大C.F先变小后变大，FN逐渐变小D.F先变小后变大，FN逐渐变大答案A解析细棒质量分布均匀，重心在O点，对细棒进行受力分析如图所示。设细棒长为L，O1与O2间距为h，滑轮左侧绳长为x，根据相似三角形有mgh=Fx=FNL2，θ从π2缓慢减小到0的过程中，滑轮左侧绳长x减小，可知F5.(2025·江苏扬州市检测)如图所示，OA为遵从胡克定律的弹性轻绳，其一端固定于天花板上的O点，另一端与静止在动摩擦因数恒定的水平地面上的滑块A相连。当绳处于竖直位置时，滑块A对地面有压力作用。B为紧挨绳的一光滑水平小钉，它到天花板的距离BO等于弹性绳的自然长度。现有一水平力F作用于A，使A向右缓慢地沿直线运动，则在运动过程中()A.水平拉力F保持不变B.地面对A的摩擦力变大C.地面对A的摩擦力变小D.地面对A的支持力保持不变答案D解析设开始时AB的长度为L，滑块A的质量为m，弹性绳的劲度系数为k，则开始时刻地面对A的支持力为FN=mg-kL，设某一时刻绳子与水平方向的夹角为θ，则绳子的弹力为F'=kLsinθ，其竖直向上的分力F'sinθ=kL，故地面对A的支持力为FN'=mg-F'sinθ=mg-kL=FN，由此可知地面对A的支持力保持不变，故D正确；由于Ff=μFN，FN不变，则摩擦力Ff也保持不变，故B、C错误；对水平方向分析，由平衡条件可知F=F'cosθ+Ff=kLtanθ+Ff，A缓慢沿直线向右运动的过程中，θ变小，Ff不变，故6.(来自教材改编)两金属小球A、B用一轻质弹簧连接，球A用轻绳悬挂于O点，在水平拉力F的作用下，两小球处于如图所示的位置，此时轻绳与竖直方向的夹角为30°。现将力F逆时针缓慢转动30°，在此过程中，轻绳与竖直方向的夹角不变。下列说法正确的是()A.轻绳的拉力先减小后增大B.A、B两小球间的距离增大C.力F先减小后增大D.弹簧与竖直方向的夹角增大答案D解析对A、B整体受力分析，如图甲所示，绳与竖直方向夹角不变，则轻绳拉力FT方向不变，现将力F逆时针缓慢转动30°(此时力F与轻绳拉力FT垂直)，则此过程中，轻绳拉力FT减小，力F减小至最小，故A、C错误；对B小球受力分析可知，在F转动过程中，弹簧与轻绳的夹角始终大于90°，对A小球受力分析，如图乙所示，其受轻绳拉力FT方向不变，而拉力FT变小，A小球处于动态平衡，则可知F弹在逐渐减小且与竖直方向夹角增大，即弹簧与竖直方向的夹角增大，根据胡克定律F弹=kx可知，弹簧伸长量x减小，即A、B两小球间的距离减小，故B错误，D正确。7.(2025·江苏无锡洛社高级中学检测)一物体置于倾角为α的粗糙斜面体上，斜面体放在粗糙的水平地面上，用水平力F推物体，物体及斜面体均保持静止，F适当减小时，物体、斜面体仍保持静止，则下列说法一定正确的是()A.物体所受的合力减小B.斜面体对物体的支持力减小C.物体所受摩擦力减小D.地面对斜面体的支持力减小答案B解析因为物体始终保持静止，故物体所受合力始终为零，所以物体所受合力不变，故A错误；对物体进行受力分析，物体一定受到重力mg、水平力F和斜面体的支持力FN，将重力mg和水平力F沿斜面和垂直斜面方向分解，垂直斜面方向有FN=mgcosα+Fsinα，所以当F减小时斜面体对物体的支持力减小，故B正确；摩擦力的方向需要分情况讨论：若Fcosα>mgsinα，则摩擦力Ff=Fcosα-mgsinα，F减小时，摩擦力减小，若Fcosα≤mgsinα，则摩擦力Ff=mgsinα-Fcosα，F减小时，摩擦力增大，所以物体所受摩擦力不一定减小，故C错误；对物体和斜面体整体进行受力分析，整体受到重力(M+m)g、地面的支持力FN地、水平力F和摩擦力，在竖直方向上有FN地=(M+m)g，与F无关，所以地面对斜面体的支持力不变，故D错误。[8~10题，每题4分]8.(2025·江苏徐州市检测)如图甲所示，窗户上的连杆通常被称为滑撑或铰链。它是一种连杆式活动链接装置，主要用于连接窗扇和窗框，使窗户能够顺利开启和关闭，它通常由滑轨、滑块、悬臂组成，示意图如图乙所示。水平悬臂通过转轴O1、O2分别与竖直窗扇和滑块相连，窗扇可绕轴O3转动。现将窗扇打开，此时悬臂与窗户之间的夹角为θ，若要求此时无论多大的风力均不能将窗扇关闭，则滑块与滑轨之间的动摩擦因数μ应满足的条件是()A.μ≤tanθ B.μ≥tanθC.μ≤1tanθ D.μ答案D解析设悬臂的推力为F，则悬臂对滑块的压力为FN=Fsinθ，若要求此时无论多大的风均不能将窗扇关闭，则有Fcosθ≤μFN，解得μ≥1tanθ，故选9.(2025·江苏南通市、泰州市、镇江市、盐城市部分学校一模)如图所示，在水平面上固定一竖直挡板M，现用水平力F向左推楔形木块B，使球A缓慢上升，所有接触面均光滑。在此过程中()A.A对B的压力始终不变B.A对M的压力逐渐增大C.水平外力F逐渐增大D.水平面对B的支持力逐渐增大答案A解析设楔形木块B的倾角为θ，根据题意，对A受力分析，受重力mAg、M的支持力FNM、B的支持力FNB，如图所示由平衡条件可得：FNBcosθ=mAg，FNM=mAgtanθ由题可知，A球缓慢上升，但θ不变，则B对A的支持力FNB、M对A的支持力FNM均不变，由牛顿第三定律可知，A对B的压力和A对M的压力始终不变，故A正确，B错误；对A、B的整体受力分析，如图所示由平衡条件可得：FN=G总，F=FNM因G总和FNM均不变，则水平面对B的支持力FN不变、水平外力F不变，故C、D错误。10.(2025·江苏常州市检测)如图所示，顶角恒为75°的V形槽的底部用铰链连接在水平地面上，内部放一光滑的圆柱体，从OM水平的位置逆时针缓慢旋转到ON水平的过程中()A.柱体对OM压力逐渐变小B.柱体对ON压力逐渐变大C.ON竖直时，柱体对OM的压力最大D.OM转动的角度为75°时，柱体对OM的压力等于重力答案C解析设OM转动的角度为θ，对圆柱体受力分析如图，由正弦定理可得mgsin75°=FONsinθ=FOMsin(105°-θ)，θ从0°逐渐增大到105°(先锐角后钝角)，故其正弦值先增大后减小，所以FON先增大后减小，FOM先增大后减小，由牛顿第三定律知A、B均错误；根据上述分析可知，当θ=15°时，ON竖直，此时sin(105°-θ)=sin90°=1，FOM最大，由牛顿第三定律知柱体对OM的压力最大，C正确；把θ=75°，代入上式可知F11.(10分)质量为M的木楔在水平面上保持静止，斜面倾角为θ，当将一质量为m的木块放在木楔