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平衡中的临界和极值问题

的动摩擦因数为μ。

现将长木板的一端缓慢抬起,要使物体始终保持静止,木板与水平地面间的夹角θ不能超过多少?设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。

【分析】这是一个斜面问题。

当θ增大时,重力沿斜面的分力增大。

当此分力增大到等于最大静摩擦力时,物体处于动与不动的临界状态。

此时是θ最大。

【解答】依题意,
mgsinθ=μmgcosθ
tgθ=μ
∴θ≤arctgμ
说明:tgθ=μ是一重要临界条件。

其意义是:tgθ<μ时,重力沿斜面向下的分力小于滑动摩擦力;tgθ=μ时,重力沿斜面向下的分力等于滑动摩擦力;tg θ>μ时,重力沿斜面向下的分力大于滑动摩擦力;
①、将物体静止置于斜面上,如tgθ≤μ,则物体保持静止;如tgθ>μ,则物体不能保持静止,而加速下滑。

②、将物体以一初速度置于斜面上,如tg<μ,则物体减速,最后静止;如tgθ=μ,则物体保持匀速运动;如tgθ>
F
μ,则物体做加速运动。

因此,这一临界条件是判断物体在斜面上会如何
运动的一个条件。

练习:如图,质量为m的三角形尖劈静止于斜面上,上表面水平。

今在其上表面加一竖直向下的力F。

则物体:
A、保持静止;
B、向下匀速运动;
C、向下加速运动;
D、三种情况都要
可能。

【解答】A。

【例2】如图所示,跨过定滑轮的轻绳两端,分别系着物体A和B,物体A放在倾角为α的斜面上,已知物体A的质量为m,物体B和斜面间动摩擦因数为μ(μ<tgθ),滑轮的摩擦不计,要使物体静止在斜面上,求物体B质量的取值范围.
【解析】以B为研究对象,由平衡条件得
T=m B g
再以A为研究对象,它受重力、斜面对A的支持力、绳的拉力和斜面对A的摩擦作用.假设A处于临界状
态,即A受最大静摩擦作用,方向如图
所示,根据平衡条件有:
N=mgcosθ
T-f m-mgsinθ=0
f m=μN
或:T+f m-mgsinθ=0
f m=μN
综上所得,B的质量取值范围是:
m(sinθ-μcosθ)≤m B≤m(sinθ+μcosθ)
说明:本题关键是要注意摩擦力的方向及大小与物体所受外力有关,故在处理问题时.要在物体临界问题下,确定可能的运动趋势.
【例2】如图所示,半径为R,重为G的均匀球靠竖直墙放置,左下方有厚为h的木块,若不计摩擦,用至少多大的水平推力F推木块才能使球离开地面.
【解析】以球为研究对象,如图所示。


N1sinθ=G
N1cosθ=N2
sinθ=(R-h)/R
再以整体为研究对象得:N2=F
即F=√h(2R-h)·G/(R-h)
说明:球体刚好离开地面,有地面对球的支持力为零,但系统又平衡.
【例3】如图所示,重为G 的物体放在水平面上,物体与水平面间的动摩擦因数为μ=1/√3,物体做匀速直线运动。

求牵引力F 的最小值和方向角θ。

解:物体的受力图如图。

建立坐标系,有: Fcos θ-μN=0 ①
Fsin θ+N-G=0 ②
由①、②消去N 得:
F=μG /(cos θ+μsin θ)
令tg φ=μ,则cos θ+μsin θ=√1+μ2cos(θ-φ)
∴ F=
当θ=φ时,cos(θ-φ)取极大值1,F 有最小值。

F min = =G/2
tg φ=μ=1/√3 φ=300
∴ θ=300
点评:此例给出了求解极值问题的一种方法:函数法。

此例中,F 的大小随θ的变化而变化,要求F 的极小值,就要根据题意求出F 随θ而变的函数关系式,再利用函数的单调性,讨论F 的极值。

G
()φθμμ-+cos 12G
21μμ+G。

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