高三物理复习中的极值与临界问题专题

极值与临界问题专题

常州二中徐展

临界现象是量变质变规律在物理学上的生动体现。即在一定的条件下，当物质的运动从一种形式或性质转变为另一种形式或性质时，往往存在着一种状态向另一种状态过渡的转折点，这个转折点常称为临界点，这种现象也就称为临界现象.如:静力学中的临界平衡；机车运动中的临界速度；碰撞中的能量临界、速度临界及位移临界；电磁感应中动态问题的临界速度或加速度；光学中的临界角；带电粒子在磁场中运动的边界临界；电路中电学量的临界转折等.

解决临界问题，一般有两种方法，第一是以定理、定律为依据，首先求出所研究问题的一般规律和一般解的形式，然后再分析、讨论临界特殊规律和特殊解；第二是直接分析、讨论临界状态，找出临界条件，从而通过临界条件求出临界值。

所谓极值问题，一般而言，就是在一定条件下求最佳结果所需满足的极值条件.求解极值问题的方法从大的角度可分为物理方法和数学方法。物理方法包括（1）利用临界条件求极值；（2）利用问题的边界条件求极值；（3）利用矢量图求极值。数学方法包括（1）用三角函数关系求极值；（2）用二次方程的判别式求极值；（3）用不等式的性质求极值。一般而言，用物理方法求极值直观、形象，对构建模型及动态分析等方面的能力要求较高，而用数学方法求极值思路严谨，对数学能力要求较高.若将二者予以融合，则将相得亦彰，对增强解题能力大有裨益。

在中学物理问题中，有一类问题具有这样的特点，如果从题中给出的条件出发，需经过较复杂的计算才能得到结果的一般形式，并且条件似乎不足，使得结果难以确定,但若我们采用极限思维的方法，将其变化过程引向极端的情况，就能把比较隐蔽的条件或临界现象暴露出来，从而有助于结论的迅速取得。

在应用牛顿运动定律解决动力学问题中，当物体运动的加速度不同时，物体有可能处于不同的状态，特别是题目中出现“最大”、“最小”、“刚好”等词句时，往往会有临界现象。此时要用极限分析法，看物体不同加速度时，会有哪些现象发生，找出临界点，求出临界条件。

解决此类问题重在形成清晰的物理图景，分析清楚物理过程，从而找出临界条件或达到极值的条件，要特别注意可能出现的多种情况。在解决临办极值问题注意以下几点：

1.许多临界问题常在题目的叙述中出现“恰好”、“最大”、“至少”、“不相撞”、“不脱离”……等词句对临界问题给出了明确的暗示，审题是只要抓住这些特定词语其内含规律就能找到临界条件。

2.临界点的两侧，物体的受力情况、变化规律、运动状态一般要发生改变，能否用变化的观点正确分析其运动规律是求解这类题目的关键，而临界点的确定是基础。

3.临界问题通常具有一定的隐蔽性，解题灵活性较大，审题时应力图还原习题的物理情景，抓住临界状态的特征，找到正确的解题方向。

4.确定临界点一般用极端分析法，即把问题（物理过程）推到极端，分析在极端情况下可能出现的状态和满足的条件。

【典型例题与练习】

运动学中的极值与临界问题：

1．一车处于静止状态，车后相距s0=25m处有一个人，当车开始起动以1m/s2的加速度前进的同时，人以6m/s速度匀速追车，能否追上？若追不上，人车间的最小距离为多少？人不可能追上车 18 m。A、B 两车停在同一点，某时刻A车以2m/s2的加速度匀加速开出，2s后B车同向以3m/s2的加速度开出。问：B车追上A车之前，在启动后多长时间两车相距最远，距离是多少？

【解析】〖解法1〗由于当A 车的加速度度小于B 车的加速度，B 车后启动，则B 车一定能追上A 车，在追上前当两车的速度相等时，两车相距最远。设当A 车运动t 时间时，两车速度相等，则有

,(3)A B A B v v a t a t ==- 解得：39B A B a t s a a ==- 把t 代入两车之间距离差公式得：2211(3)2722

A B A B s s s a t a t m ∆=-=--= 〖解法2〗设A 启动ts 两车相距最远，A 车的位移：212A s at =，B 车的位移：21(3)2

B s a t =- 两车间距离为22211(3)0.5913.522

A B A B s s s a t a t t t ∆=-=--=-+- 由数学知识可知，当992(0.5)

t s s =-=⨯-时， 两车间有最大距离：2211(3)2722

A B A B s s s a t a t m ∆=-=--= 2． 如图所示，一平直的传送带以速度V=2m/s 匀速运动，传送带把A 处的工件运送到B 处，A 、B 相距L=10m ．从A 处把工件无初速地放到传送带上，经时间t=6s 能传送到B 处，欲用最短时间把工件从A 处传到B

处，求传送带的运行速度至少多大？

答案：52m/s(一直加速)

3． 如图所示，一固定斜面的倾角为α，高为h ，一小球从斜面顶端沿水平

方向落至斜面底端，不计小球运动中所受的空气阻力，设重力加速度为

g ，则小球从抛出到离斜面距离最大所经历的时间为

A ．g h 2

B ．g h 2sin α

C ．g h 2

D ．g

h 答案：A

牛顿定律角度解题中的极值与临界问题：

4． 一根劲度系数为k 、质量不计的轻弹簧，上端固定，下端系一质量为m 的物体，

有一水平的板将物体托住，并使弹簧处于自然长度，如图所示，现让木板由静

止开始以加速度a (a

【解析】木板与物体分离的临界条件是它们之间的作用力为零。

对于m 物体由牛顿运动定律得：mg F kx ma --=，

当F=0以后，随着x 的增大，物体m 的加速度减小，二者开始分离。

物体与木板分离的临界点为F= 0时，此时由上式可得：(),m g a mg kx ma x k

--== 由木板一直作加速度为a 的匀加速运动，则由运动学规律得：

2122(),2x m g a x at t a x -=

== ·

· A

B a B F