平衡點對應最大速度問題

2023-02-06 17:30:05 字數 3562 閱讀 2751

平衡點是指合力為零的點,在非勻變速運動中,加速度、速度都在變化,常出現這樣的對應關係,即加速度為零的點對應速度的最大值,抓住這個隱含條件是解決問題的突破口。下面給出這一隱含已知條件在具體問題中的應用。

一.在彈簧類問題中的應用

運動過程中由於彈力是變力,引起加速度的變化,物體做非勻變速運動,當加速度時,對應速度有極大值,解決這類問題的關鍵在於抓住最大速度對應平衡點。

例1.如圖1所示,自由下落的小球,從它接觸豎直放置的彈簧開始,到彈簧壓縮到最大限度的過程中,小球的速度和加速度的變化情況是

a.加速度變大,速度變小

b.加速度變小,速度變大

c.加速度先變小後變大,速度先變大後變小

d.加速度先變小後變大,速度先變小後變大

解析:小球接觸彈簧後,受到豎直向下的重力和豎直向上的彈力,其中重力為恒力。在接觸的開始階段,由於彈簧的形變較小,重力大於彈力,合力向下,小球的加速度向下,由於加速度的方向跟速度的方向相同,因此小球速度在不斷變大。

在這一過程中隨彈力的不斷增大,其合力逐漸減小,小球加速度逐漸減小。當彈力增大到和重力相等時,小球所受合外力為零,加速度等於零,小球此時具有向下的最大速度。由於慣性小球仍向下運動,小球繼續向下壓縮彈簧到壓縮到最大限度的過程中,彈力大於重力,合外力向上且逐漸變大,加速度方向與速度方向相反,小球做加速度逐漸增大的減速運動。

所以,選項c正確.

例2.如圖2所示,一條輕質彈簧左端固定,右端系一小物塊,物塊與水平面各處動摩擦因數相同,彈簧無形變時,物塊位於點,今先後分別把物塊拉到和點由靜止釋放,物塊都能運動到點左方,設兩次運動過程中物塊速度最大的位置,分別為和點,則和點( )

a.都在處

b.都在處右方,且離點近

c.都在處右方,且離點近

d.都在處右方,且、在同一位置

解析:最大速度對應加速度的點,找到此點為關鍵,物塊向左運動,摩擦力向右,所以平衡點處彈力向左,彈簧處於拉伸狀態,平衡點應點的右側,再根據,,所以平衡點的位置不會因點的不同而不同。答案為d。

這類題還可以與能量問題結合,與影象問題結合,可以將彈簧換成綁緊跳帶或蹦蹦床。但解題的關鍵點都在於抓住最大速度對應平衡點這一條件。

例3.(2010高考)如圖3甲所示,質量不計的彈簧豎直固定在水平面上,時刻,將一金屬小球從彈簧正上方某一高度處由靜止釋放,小球落到彈簧上壓縮彈簧到最低點,然後又被彈起離開彈簧,上公升到一定高度後再下落,如此反覆。通過安裝在彈簧下端的壓力感測器,測出這一過程彈簧彈力隨時間變化的影象如圖乙所示,則

a.時刻小球動能最大  b.時刻小球動能最大

c.這段時間內,小球的動能先增加後減少

d.這段時間內,小球增加的動能等於彈簧減少的彈性勢能

解析:時刻球剛與彈簧接觸,之後做加速度減小的加速運動;時刻為彈簧形變數最大的時刻,時刻速度,所以動能為零,對應的彈性勢能最大,重力勢能最小。在之間存在重力和彈力相等的平衡點,那時的速度最大,動能最大。

而之間是的逆過程,動能先增大後減小,彈性勢能一直減小,重力勢能一直增大。所以答案為:c

二.在磁場力問題中的應用

磁場力包括洛倫茲力和安培力,而這兩種力都可能與速度有關,洛倫茲力的大小為,因切割磁場而產生的安培力大小為,磁場力與速度有關,變速運動過程中,與速度相關的力會發生變化,進而導致加速度的變化,物體做非勻變速運動。當物體從靜止開始做加速直線運動時,會存在這樣的隱含條件:(1)當速度時,常對應加速度的最大值;(2)當物體運動到平衡點時,加速度,對應速度的最大值。

物體達到最大速度後,力不再變化,從而與力相關的速度不再變化,之後物體將做勻速直線運動。這也多了一種利用力求速度的方法。

例4.如圖4所示,套在絕緣棒上的小球,質量為,帶有的正電荷,小球在棒上可以自由滑動,直棒放在互相垂直且沿水平方向的勻強電場和勻強磁場之中,小球和直棒之間的動摩擦因數為,求:小球由靜止沿棒豎直下落的最大加速度和最大速度。

(設小球在運動過程中電量不變)。

解析:求加速度時對小球做受力分析如圖5,,,開始運動時,洛倫茲力為零,對應的加速度最大,;隨著速度的增大,洛倫茲力在增大,加速度減小,在這個過程中經歷了的時刻,此時彈力,之後,彈力反向,當加速度時,

速度有最大值,在水平方向有,豎直方向有,,求得。之後物體將以最大速度做勻速直線運動。

例5.如圖6所示,和是兩根足夠長且固定的平行光滑導軌,兩道軌間距為,導軌平面與水平面的夾角為。在整個導軌平面內部都有垂直於導軌平面斜向上的勻強磁場,磁感應強度為。

在導軌的端連有乙個阻值為的電阻,一根垂直於導軌放置,質量為不計電阻的金屬棒在距端為的地方無初速度沿導軌下滑,求:下滑過程中的最大加速度和最大速度。

解析:金屬棒到達底端前經歷了加速和勻速運動,導體因切割磁感線而產生感應電流,該電流受到的安培力為,加速度為,當時,安培力,加速度最大為,當時,,速度有最大值。

三.在阻力問題中的應用

物體在空氣中、液體中或固體中運動,阻力與速度相關,速度越大,阻力受速度的影響越大,一般會出現阻力與速度的一次方、二次方或三次方成正比。即、或。當物體由靜止開始運動的過程中,有兩個特殊的位置分別是:

(1)當速度時,常對應加速度的最大值;(2)當物體運動到平衡點時,加速度,對應速度的最大值。物體達到最大速度後,力不再變化,從而與力相關的速度不再變化,之後物體將做勻速直線運動。此速度常被稱為收尾速度。

例6.跳傘運動員從跳傘塔上跳下,當降落傘全部開啟時,傘和運動員所受的空氣阻力大小跟下落速度的平方成正比,即,已知比例係數。運動員和傘的總質量m=72kg,設跳傘塔足夠高且運動員跳離塔後即開啟傘,取,求:

(1)跳傘員的下落速度達到時,其加速度多大?(2)跳傘員最後下落速度多大?

解析:運動員受的加速度為,當代入,加速度最大為;當時,速度有最大值。即,速度有最大值,之後將以此速度做勻速直線運動。

四.在圓周運動中應用

當物體在做圓周運動的過程中任何時刻都處於非平衡態。某一圓周運動速度的最大值位於平衡點處,平衡點即能使物體靜止的合外力為零的點。而速度最小值位於速度最大值對應的直徑的對側端點處,並且速度最小值點恰是做圓周運動的物體最難通過的點,即物體在這點最容易脫離圓周運動軌道。

這正是實際生活中圓周運動最應注意的問題,當然也是物理題中的易考點。解決這類問題的關鍵點是做好場力分析,找到平衡位置,根據具體情況靈活應對。

例6.如圖7所示的裝置是在豎直平面內放置光滑的絕緣軌道,處於水平向右的勻強電場中,以帶負電荷的小球從高的處靜止開始下滑,沿軌道運動後進入圓環內作圓周運動。已知小球所受到電場力是其重力的,圓滑半徑為,斜面傾角,。若使小球在圓環內能作完整的圓周運動,至少為多少?

解析:小球所受的重力和電場力都為恒力,故可將此二力等效為乙個恒力,如圖8所示。可知,方向與豎直方向左偏下,點等效力與電荷所受的彈力等大反向,點為平衡點,其直徑對端點為速度最小值點,是能作完整的圓周運動的最難通過的點,若恰好能通過d點,即達到d點時球與環的彈力恰好為零。

由圓周運動知識得:,再由動能定理有:

,得。物理題中經常會有隱含的已知條件,題中的隱含已知條件可謂「題眼」,是破譯解題密碼的關鍵所在。若能抓住題眼,便會輕鬆解題。

首先要學會找題眼;其次通過情景分析能將題眼轉化成物理條件;再次是引出相關的物理公式;最終完成解題目標。上述的平衡點對應最大速度就是特點鮮明的一種隱含條件,利用平衡點處合力為零,列出平衡方程即可解題;或根據具體情況抓住其規律,像圓周運動抓住的是平衡點對應直徑的對側端點為最難通過點,經常是先求出此點的最小速度,再進一步解題。尋找規律一定要考慮實際背景,即紮實又要學會靈活。

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