高中物理临界问题的求解.docx
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高中物理临界问题的求解
书利华教育网您的教育资源库临界问题的求解
（注:
本文载于<高中物理知识探究与思维方法>）
临界问题是物理现象中的常见现象。
所谓临界状态就是物理现象从一种状态变化成另一种状态的中间过程，临界状态通常具有以下特点：
瞬时性、突变性、关联性、极值性等。
临界状态往往隐藏着关键性的隐含条件，是解题的切入口，在物理解题中起举足轻重的作用。
求解临界问题通常有如下方法：
极限法、假设法、数学分析法（包括解析法、几何分析法等）、图象法等。
极限法：
在题目中如出现“最大”、“最小”、“刚好”、“要使”等词语时，一般隐含着临界问题。
处理问题时，一般把物理问题（或过程）设想为临界状态，从而使隐藏着的条件暴露出来，达到求解的目的。
假设法：
有些物理过程中没有明显出现临界问题的线索，但在变化过程中可能出现临界问题，解决办法是采用假设法，把物理过程按变化的方向作进一步的外推，从而判断可能出现的情况。
数学分析法；是一种很理性的分析方式，把物理现象转化成数学语言，用数学工具加以推导，从而求出临界问题，用这种分析方法一定要注意理论分析与物理实际紧密联系起来，切忌纯数学理论分析。
图象法：
将物理过程的变化规律反映到物理图象中，通过图象分析求出临界问题。
下面列举的是高中物理各知识系统中典型的临界问题。
一、运动学中的临界问题
例1、一列客车以速度
1前进，司机发现前方在同一轨道上有一列货车正在以速度
2匀速前进，且
1
2，货车车尾与客车车头相距
0，客车立即刹车做匀减速运动，而货车仍保持匀速运动。
求客车的加速度
符合什么条件两车才不会撞上？
分析：
这一类问题一般用数学方法（解析法）来求解。
若要客车不撞上货车，则要求客车尽可能快地减速，当客车的速度减小到与货车速度相等时两车相对静止，若以后客车继续减速，则两车的距离又会增大；若以后客车速度不变，则两车将一直保持相对静止。
可见，两车恰好相碰时速度相等是临界状态，即两车不相碰的条件是：
两车速度相等时两车的位移之差△S≤S0。
下面用两种方法求解。
解法一：
以客车开始刹车时两车所在位置分别为两车各自位移的起点，则，客车：
，货车：
，
两车不相撞的条件：
。
联立以上各式有：
。
解法二：
客车减速到
的过程中客车的位移为：
，
经历的时间为：
；货车的位移为：
，
两车不相撞则：
。
联立以上四式有：
。
归纳：
正确分析物体的运动过程，找出临界状态是解题的关键。
例2、甲乙两地相距
，摩托车的加速度为
1
2，减速时的加速度为
1
2摩托车从甲地往乙地所用最短时间为多少？
运动过程中的最大速度为多少？
分析：
题目中并没有说明摩托车由甲地往乙地是如何运动的，从甲地往乙地所用时间最短这一临界状态是解决问题的突破口。
分析的方法可以用数学推导法，也可以用图象分析法等。
解法一：
用数学推导法。
设摩托车加速运动时间为
1，匀速运动时间为
2，减速运动时间为
3，总时间为
，则：
联立以上六式并代入数据得：
要使以上方程有解，须判别式Δ≥0，即：
，所以
，即最短时间为
。
故有：
，解得：
。
可见摩托车从甲地到乙地先加速
后紧接着减速
达到乙地所用时间最短，匀速时间为零。
最大速度为：
。
解法二：
用图象分析法。
建立如图1所示的图象，图象中梯形的“面积”即为甲乙两地的距离，在保证“面积”不变的情况下要使运动时间变小，只有把梯形变成三角形。
，
联立以上三式得：
最短时间为
，最大速度为
。
归纳：
比较以上两种分析方法，图象法比解析法简单，是一种可取的方法。
二、平衡状态的临界问题
例1、倾角为
度的斜面上放置一个重
的物体，物体与斜面间的动摩擦因数为
，要使物体恰好能沿斜面向上匀速运动，所加的力至少为多大？
方向如何？
分析；由于施力的方向没定，先假定一个方向：
与斜面成
角向上，物体的受力分析如图2所示。
解：
x方向：
y方向：
其中
联立以上三式求解得：
，其中
。
当
时
有极值：
。
例2、如图3所示，用光滑的粗铁丝做成一个直角三角形
，
边水平，
，
及
上分别套有用细绳连着的小环
、Q。
当它们相对静止时，细线与
边所成的夹角
的变化范围是多少？
分析：
题设中没有说明
、Q质量的大小，可用假设法来判断这个问题中可能出现的临界状态。
若Q的重力大于
的重力，则可不计
的重力，
的平衡转化为二力平衡，此时细绳的拉力与
对环
的支持力几乎在同一直线上垂直于
的方向，即
接近
。
若
的重力远大于Q的重力，则可不计Q的重力，Q的平衡转化为二力平衡，此时绳的拉力与
对环Q支持力几乎在同一直线上垂直于
的方向，即
接近
。
综上分析，
的变化范围是：
。
归纳：
对于平衡状态问题，正确进行受力分析是找到临界条件、寻找问题突破口的关键。
若题设中某些力是末知的，可根据题设条件进行恰当而又合理的假设。
三、动力学中的临界问题
例1、如图4所示，斜面体的质量为
，质量为
的物体放在倾角为
0的斜面上，，斜面与物体间的动摩擦因数为
，地面光滑。
现对斜面体施加一水平推力
，要使物体相对斜面静止不动，力
应为多大？
（取
，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）
分析：
采用极限分析方法，把
推向两个极端来分析，当
很小时，物体将相对斜面下滑；当
很大时，物体将相对斜面上滑，因此
不能太小也不能太大，
的取值是一个范围。
解：
设物体处于相对斜面下滑的临界状态。
推力为
，此时物体的受力情况如图5所示，则
对
：
对（
）：
联立以上三式代入数据得：
2，
。
归纳：
求解此类问题的关键点是正确进行受力分析，找出临临界条件，列出动学方程和平衡方程。
建立坐标系时，要注意以加速度方向为
正方向。
设物体处于相对斜面向上滑的临界状态，推力为
，此时物体的受力如图6所示，则
对
：
对（
）：
联立三式并代入数据得：
2，
。
所以推力的范围是：
。
例2、一物体沿动摩擦因数一定的斜面加速下滑，图7中哪个比较准确地表述了加速度a与斜面倾角的关系？
（）
分析：
题设中没有明显的临界条件。
设动摩擦因数为
，当物体在斜面上滑动时有：
，可作如下的假设：
（1）当
时，物体静止在水平面上，
；
（2）当
时，物体沿斜面匀速下滑；
（3）当
时，物体加速下滑，
（4）当
0时，
，物体做自由落体运动。
综合以上几种假设易知D正确。
归纳：
进行合理假设是找出问题的临介条件的重要手段。
例3、一物体由静止开始沿不同长度的光滑斜面滑到水平面上的
点，这些斜面的起点都在竖直墙壁处，如图8所示，已知
点距墙角的距离为
，要使小物体从斜面的起点滑到
点所用的时间最短，求斜面的起点距地面的高度是多少？
最短时间是多少？
分析：
用数学分析方法。
设小物体从
点沿倾角为
的斜面滑下到
点，则
长为：
，
加速度为：
，则有
解得：
。
由以上结果分析可知：
当
0即
时，下滑的时间最短，最短时间为：
。
归纳：
数学法是解题的重要工具。
例4、如图9所示，在竖直平面内有一固定点O，O点系一长为
的轻绳绳的另一端系一质量为
的小球，把小球拉离平衡位置使绳与竖直方向的夹角为
，然后让小球绕O点在竖直平面内摆动，现在O点的正下方
点钉一铁钉，要使小球能摆到原来的高度，则铁钉
与O点的距离
X必须满足什么条件？
分析：
小球若能摆到最高位置，意味着小球达到最高点时的速度为零。
小球的运动轨迹是圆周的一部分，那么圆周上哪些位置小球的速度可能为零？
先来分析这个问题。
找圆周上三个特殊位置和二个一般位置来分析，这五个位置的受力情况如图10所示，对应的动力学方程为：
位置1：
①
位置2：
②
位置3：
③
位置4：
④
位置5：
⑤
要使小球在竖直平面内做圆周运动，则绳对小球的拉力必须大于或等于零，即
，在1、2、3三个位置小球的速度可以为零，而在4、5位置小球的速度不能为零，否则小球将会离开圆周，若小球保持做圆周运动，由④⑤两式可知，当
时，有
。
由上面的分析可知；要使小球在圆周上运动，且在某点的速度等于零，则这些位置只能在圆周水平直径以下的这部分圆周上（包括水平直径的两个端点），在这个问题中，水平直径的两个端点就是临界点。
所以，该题中要求小球能摆到原来的高度，则钉子的位置与小球释放时的位置在同一等高线上是临界位置，钉子的位置只能在这一等高线以上，即
x
。
归纳：
在竖直圆周上运动的问题较复杂，分析这类问题的关键是分析物体在不同位置时的受力情况，然后建立动力学方程进行讨论分析。
实际上，要使小球在绳子的拉力作用下能在竖直平面内做完整的圆周运动，必须具备的条件就是绳子的拉力大于或恰好等于零，由此可以得出小球达到最高点时
这一速度临界条件。
四、振动和波中的临界问题
例1、把一根长度为
的轻弹簧下端固定，上端连一个质量为
的物块
，在
的上面再放一个质量也是
的物块Q，系统静止后，弹簧的长度为
，如图11所示。
如果迅速撤去Q，物块
将在竖直方向做简谐运动，此后弹簧的最大长度是多少？
分析：
由题意可知在撤去Q后物块
将在竖直方向做简谐运动，即以平衡位置为中心做往复运动，找到平衡位置和确定振动的振幅是求解问题的关键：
平衡位置在重力和弹力平衡的位置，由题设条件可知，平衡位置在弹簧长度为
的位置；
刚开始运动时，弹簧的长度是
，可知振幅是
。
根据对称性可知弹簧的最大长度为
。
例2、质量分别为
和
的两物块
、
用轻弹簧相连后竖直放在水平面上，现用力
把物块向下压而使之处于静止状态，如图12所示，然后突然撤去外力，要使物块
能离开地面，则压力
至少要为多大（设该过程在弹性限度内进行）？
分析：
先假设
是不动的，则撤去压力
后，
将在竖直平面内做简谐运动，平衡位置在弹簧压缩量为
的位置；若要物体
能被拉离地面，则弹簧至少要被拉长
，可见A物体的振幅为：
，所以压力
至少为：
。
归纳：
由以上两例分析可知：
求解这一类问题一要正确进行受力分析，二要灵活运用简谐运动对称性的特点。
例3、一列横波沿
轴传播，
、
是
轴上的两点，相距
，
时
点恰好振动达到最高点，而
点正好经过平衡位置向上振动，已知这列波的频率为
。
试求该波的最大波速。
分析：
该题没有说明
、
在
轴上的距离与波长的关系以及波的传播方向，也就是存在一个波的传播方向及波速不确定的问题，波可能是沿
轴正方向传播，也可能是沿
轴负方向传播；若
、
在
轴上的距离小于一个波长则波速最大。
解：
若波沿
方向传播：
，
，
波速为：
，（
）
当
时波速最大，
max
。
若波沿
方向传播：
，
，
波速为：
，（
）
当
时波速最大，
max
。
归纳：
对于波动问题，由于其运动规律有周期性的变化，在一般求解中往往含有多个解，若题中有了其他条件的限制，就有了符合条件的特定解（最大或最小），在本题中就是求波的上限值（也可以说是临界值）。
若题目给出的是波传播方向上两点的传播时间，求波的传播速度则其波速有下限值，即有最小值。
求解波动问题一定要注意以下两点，一是两大特性：
波动的周期性（空间和时间的周期），波传播方向的不确定性；二是三大关系：
质点间距离与波长的关系，传播时间与周期的关系，质点振动方向与波传播方向的关系。
五、电磁学中的临界问题
例1：
、
表示真空中相距为
的平行金属板，极板长为
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