高中奥林匹克物理竞赛解题方法五极限法

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1、图51图52高中奥林匹克物理竞赛解题方法五、极限法方法简介极限法是把某个物理量推向极端，即极大和极小或极左和极右，并依此做出科学的推理分析，从而给出判断或导出一般结论。极限法在进行某些物理过程的分析时，具有独特作用，恰当应用极限法能提高解题效率，使问题化难为易，化繁为简，思路灵活，判断准确。因此要求解题者，不仅具有严谨的逻辑推理能力，而且具有丰富的想象能力,从而得到事半功倍的效果。赛题精讲例1:如图51所示，一个质量为m的小球位于一质量可忽略的直立弹簧上方h高度处，该小球从静止开始落向弹簧，设弹簧的劲度系数为k,则物块可能获得的最大动能为。解析：球跟弹簧接触后，先做变加速运动，后做变减速运动，

2、据此推理，小球所受合力为零的位置速度、动能最大。所以速最大时有mg=kx1 -2_由机械能寸恒有mg(h+x)=Ek十kx2 2联立式解得Ek=mg11m-g-k2k例2:如图52所示，倾角为口的斜面上方有一点O,在。点放一至斜面的光滑直轨道，要求一质点从O点沿直轨道到达斜面P点的时间最短。求该直轨道与竖直方向的夹角P。解析：质点沿OP做匀加速直线运动，运动的时间t应该与P角有关，求时间t对于P角的函数的极值即可。由牛顿运动定律可知，质点沿光滑轨道下滑的加速度为a=gcos:该质点沿轨道由静止滑至1J余面所用的时间为t,则1 2一at=OP22OP所以t=J一=gcos:由图可知，在OPC中有

3、OPOC所以OP =OC cos 工cos(:-)将式代入式得2OC cos：_ 4OC cos：g cos 1 cos(- - ) cos is 3 cosc - 2 1 ) g显然，当cos(a -2?) =1,即日=2时，上式有最小值.ot所以当P =一时，质点沿直轨道滑到斜面所用的时间最短。2此题也可以用作图法求解。例3：从底角为e的斜面顶端，以初速度 廿0水平抛出一小球，不计空气阻力，若斜面足够长，如图5 3所示，则小球抛出后,离开斜面的最大距离 H为多少？解析：当物体的速度方向与斜面平行时，物体离斜面最远。以水平向右为 x轴正方向，竖直向下为 y轴正方向，则由：vy =v0 tan

4、9 =gt ,解得运动时间为t = vtane2该点的坐标为x =v0t = tang1.2y =2gt2Vo2gtan2 1由几何关系得：H /cosy =xtan1解得小球离开斜面的最大距离为2H = tan日 sin 日。 2g这道题若以沿斜面方向和垂直于斜面方向建立坐标轴，求解则更加简便。例4:如图54所示，一水枪需将水射到离喷口的水平距离为的墙外，从喷口算起，墙高为4.0m。若不计空气阻力，取.2g =10m/s ,求所需的取小初速及对应的发射仰角。3.0md 图54解析：水流做斜上抛运动，以喷口 O为原点建立如图所示的直角坐标，本题的任务就是水流能通过点A (d、h)的最小初速度和

5、发射仰角。sin(90-二)sin(90tI)根据平抛运动的规律，水流的运动方程为x = v0 cos： t12y = v0 sin& t - - gtt,得:hcos2- 一 hd2 h2把A点坐标(d、h)代入以上两式，消去v2-gd2/2cos2：(h-dtan：)2.=gd/dsin2：-h(cos2-1)=gd2/Vd2+h2dsin2ad2h2令h/d=tane,则d/vd2+h2=cos0,h/1d2+h2=sine,上式可变为v2=gd2/vd2+h2sin(2a-6)h,显然，当sin(2u-6)=1,即2a-6=90一亦即发射角4=45一=45+larctan0=45+ar

6、ctan4=71.6-时,v0最小,22d3且最小初速v0=.g(d2h2h)=310m/s=9.5m/s.例5:如图55所不，一质量为m的人，从长为l、质量为M的铁板的一端匀加速跑向另一端，并在另一端骤然停止。铁板和水平面间摩擦因数为N,人和铁板间摩擦因数为N且NN。这样，人能使铁板朝其跑动方向移动的最大距离L是多少？解析：人骤然停止奔跑后，其原有动量转化为与铁板一起向前冲的动量，此后，地面对载人铁板的阻力是地面对铁板的摩擦力f,其加速度a1_f_N(M+m)g=%oM-mMm由于铁板移动的距离L=故v越大，L越大。v是人与铁板一起开始地运动2a1的速度，因此人应以不会引起铁板运动的最大加速

7、度奔跑。人在铁板上奔跑但铁板没有移动时，人若达到最大加速度，则地面与铁板之间的摩擦力达到最大静摩擦N(M+m)g,根据系统的牛顿第二定律得：F=ma2M0所以a2F=Ng哈mm设v、v分别是人奔跑结束及人和铁板一起运动时的速度因为mv=(M+m)v且v2=2a2l,v2=2a1L并将a1、a2代入式解得铁板移动的最大距离LmlMm例6:设地球的质量为M,人造卫星的质量为m,地球的半径为Ro,人造卫星环绕地球做圆周运动白半径为r。试证明：从地面上将卫星发射至运行轨道，发射速度(取 R0=6.4g)v=、：R0g(2-R0),并用该式求出这个发射速度的最小值和最大值。X106m),设大气层对卫星的

8、阻力忽略不计，地面的重力加速度为解析：由能量守恒定律，卫星在地球的引力场中运动时总机械能为一常量。设卫星从地面发射的速度为v发，卫星发射时具有的机械能为Ei= 1mv| -GMmR012-Mm_进入轨道后卫星的机械能为E2=mv2-G2r由Ei=E2,并代入v轨=JGM，解得发射速度为v发=GM(2E0)rRor又因为在地面上万有引力等于重力，即：GM?=mg所以GM=R0gRoRo把式代入式即得：v发=Rog(2-0)(1)如果r=Ro,即当卫星贴近地球表面做匀速圆周运动时，所需发射速度最小为vmin=,gRo=7.9103m/s.图5 6(2)如果rTg,所需发射速度最大(称为第二宇宙速度

9、或脱离速度)为vmax=,2Rog=11.2103m/s例7:如图56所示，半径为R的匀质半球体，其重心在球心。点正下方C点处，OC=3R/8,半球重为G,半球放在水平面上，在半球的平面上放一重为G/8的物体，它与半球平在间的动摩擦因数0=0.2,求无滑动时物体离球心O点最大距离是多少？解析：物体离O点放得越远，根据力矩的平衡，半球体转过的角度日越大，但物体在球体斜面上保持相对静止时，日有限度。设物体距球心为x时恰好无滑动，对整体以半球体和地面接触点为轴，根据平衡条件有：G3Rsin-Gxcos88得x=3Rtan可见，x随e增大而增大。临界情况对应物体所受摩擦力为最大静摩擦力，则：tan8m

10、=m=N=0.2，所以，x=3NR=0.6R.N图5 7例8:有一质量为m=50kg的直杆，竖立在水平地面上，杆与地面间静摩擦因数0=0.3,杆的上端固定在地面上的绳索拉住，绳与杆的夹角3=30如图57所示。(1)若以水平力F作用在杆上，作用点到地面的距离h1=2L/5(L为杆长)，要使杆不滑倒，力F最大不能越过多少?(2)若将作用点移到h2=4L/5处时，情况又如何？解析：杆不滑倒应从两方面考虑，杆与地面间的静摩擦力达到极限的前提下，力的大小还与h有关，讨论力与h的关系是关键。杆的受力如图57一甲所示，由平衡条件得F-Tsin0f=0/1翻N-Tcos日-mg=0/卜NF(Lh)fL=0图右

11、工另由上式可知，F增大时，f相应也增大，故当f增大到最大静摩擦力时，杆刚要滑倒，此时满足：f-N解得:FmasmgLtan(L-h)tan-/-h由上式又可知，当(Lh)tan8/NhT巴即当h0=0.66L时对F就没有限制了。一2,，口(1)当=Lh,将有关数据代入Fmax的表达式得5Fmax=385N4.(2)当h2=LAh。，无论F为何值，都不可能使杆滑倒，这种现象即称为自锁。5例9:放在光滑水平面上的木板质量为M,如图58所示，板上有端质量为m的小狗以与木板成8角的初速度v0（相对于地面）由A点跳到B点，已知AB间距离为s。求初速度的最小值。图58解析：小狗跳起后，做斜上抛运动，水平位

12、移向右，由于水平方向动量守恒，木板向左运动。小狗落到板上的B点时，小狗和木板对地位移的大小之和，是小狗对木板的水平位移。mvosinr_由于水平万向动重守恒，有mv0cos8=Mv即丫=M小狗在空中做斜抛运动的时间为2vosin1t二g又sv0cosUt=vt将、代入式得VoMgs(M m)sin2uji当sin 29 =1,即日=一时,Vo有最小值，Vomin4_ _Mgs.M m例10： 一小物块以速度 v0 =10m/s沿光滑地面滑行，然后沿光滑曲面上升到顶部水平的高台上，并由高台上飞出，如图5-9所示， 当高台的高度 h多大时，小物块飞行的水平距离s最大？这个距离是多少？ （ g取10

13、m/s2）解析：依题意，小物块经历两个过程。在脱离曲面顶部之前，小物块受重力和支持力， 由于支持力不做功，物块的机械能守恒，物块从高台上飞出后，做平抛运动，其 水平距离s是高度h的函数。v ,根据机械能守恒定律，1.2s和图度h分别为：h=-gt 2设小物块刚脱离曲面顶部的速度为1mv2 =；mv2 mgh小物块做平抛运动的水平距离s = vt22以上三式联立解得：s = Yv2 2gh =2（）2（h-蓝）222,.v0v0_当h= - = 2.5m 时，飞行距离取大，为 smax= = 5m。4g2g例11:军训中，战士距墙s,以速度v0起跳，如图510所示，再用脚蹬墙面一次，使身体变为竖

14、直向上的运动以继续升高，墙面与鞋底之间的静摩擦因数为N。求能使人体重心有最大总升高的起跳角日。图510解析：人体重心最大总升高分为两部分，一部分是人做斜上抛运动上升的高度，另一部分是人蹬墙所能上升的高度。如图510甲，人做斜抛运动Vx=VoCOs9,vy=v0sin二-gt1 .S2重心升局为H=Sotan-g(-)2 v0cosv脚蹬墙面，利用最大静摩擦力的冲量可使人向上的动量增加，即(mVy)=m3Vy=f(t)=kN(t)At=RN(t)At,而N(t)At=mVx,-ZkVy=%x,所以人蹬墙后，其重心在竖直方向向上的速度为2VyVy=Vy+加丫=Vy+x,继续升高H2=，人的重心总升

15、高2gH=H1+H2=v-(Ncos日+sin6)2-Ns0,当H=tan工。时，重心升高最大。2g例12:如图5-11所示，一质量为M的平顶小车，以速度v0沿水平的光滑轨道做匀速直线运动。现将一质量为m的小物块无Jp工初速地放置在车顶前缘。已知物块和车顶之间的滑动摩擦因图511数为N。(1)若要求物块不会从车顶后缘掉下，则该车顶最少要多长？(2)若车顶长度符合(1)问中的要求，整个过程中摩擦力共做多少功？解析：当两物体具有共同速度时，相对位移最大，这个相对位移的大小即为车顶的最小长度。设车长至少为l,则根据动量守恒Mv0=(Mm)v1 1根据功能关系mglMv0(Mm)v2 2解得 l二Mv

16、22(M m)g,摩擦力共做功2W = -mg-U =Mmv02(Mm)例13:一质量m=200kg,高2.00m的薄底大金属桶倒扣在宽广的2水池底部，如图512所小。桶的内横截面积S=0.500m,桶壁加桶底的体积为Vo=2.50M02m3桶内封有高度为l=0.200m的空气。池深Ho=20.0m,大气压强po=10.00m水柱高，水的密度P=1.000M103kg/m3,重力加速度取g=10.00m/s2。若用图中所示吊绳将桶上提，使桶底到达水面处，求绳子拉力对桶所需何等的最小功为多少焦耳？(结果要保留三位有效数字)。不计水的阻力，设水温很低，不计其饱和蒸汽压的影响。并设水温上下均匀且保持

17、不变。图5 12甲解析：当桶沉到池底时，桶自身重力大于浮力。在绳子的作用下桶被缓慢提高过程中，桶内气体体积逐步增加，排开水的体积也逐步增加，桶受到的浮力也逐渐增加，绳子的拉力逐渐减小，当桶受到的浮力等于重力时，即绳子拉力恰好减为零时，桶将处于不稳定平衡的状态，因为若有一扰动使桶略有上升，则浮力大于重力，无需绳的拉力，桶就会自动浮起，而不需再拉绳。因此绳对桶的拉力所需做的最小功等于将桶从池底缓慢地提高到浮力等于重力的位置时绳子拉桶所做的功。设浮力等于重力的不稳定平衡位置到池底的距离为H,桶内气体的厚度为l如图512一甲所示。因为总的浮力等于桶的重力mg,因而有p(lSV0)g=mg有l=0.35

18、0m在桶由池底上升高度H到达不稳定平衡位置的过程中，桶内气体做等温变化,由玻意耳定律得P0+H0-H(I。l)lS=p。+H0(I。l)lS由、两式可得H=12.240m由式可知H(H0l),所以桶由池底到达不稳定平衡位置时，整个桶仍浸在水中。由上分析可知，绳子的拉力在整个过程中是一个变力。对于变力做功，可以通过分析水和桶组成的系统的能量变化的关系来求解：先求出桶内池底缓慢地提高了H高度后的总机械能量EE由三部分组成：(1)桶的重力势能增量E1=mgH(2)由于桶本身体积在不同高度处排开水的势能不同所产生的机械能的改变量E2,可认为在H高度时桶本身体积所排开的水是去填充桶在池底时桶所占有的空间

19、，这时水的重力势能减少了。所以AE2=PV0gH(3)由于桶内气体在不同高度处所排开水的势能不同所产生的机械能的改变E3,由于桶内气体体积膨胀，因而桶在H高度时桶本身空气所排开的水可分为两部分：一部分可看为填充桶在池底时空气所占空间，体积为1S的水,这部分水增加的重力势能为AE31=-lfSgH另一部分体积为(l-l)S的水上升到水池表面，这部分水上升的平均高度为Ho-H-lo+l+(l)/2,增加的重力势能为E32=P(ll)SgHo-H-lo+l+(l1)/2由整个系统的功能关系得，绳子拉力所需做的最小功为Wt=AE将、式代入式得Wt=PSg(ll)(Hlo)+(l2-l2)/2将有关数据

20、代入式计算，并取三位有效数字，可得Wt=1.37M04J例14：如图513所示，劲度系数为k的水平轻质弹簧，左端固定，.右端系一质量为m的物体，物体可在有摩擦的水平桌面上滑动,弹簧为原长时位于O点，现把物体拉到距。为Ao的P八力7点按住，放手后弹簧把物体拉动，设物体在第二次经过O点前，图5-13在O点左方停住，求：(1)物体与桌面间的动摩擦因数N的大小应在什么范围内？(2)物体停住点离O点的距离的最大值，并回答这是不是物体在运动过程中所能达到的左方最远值？为什么？(认为动摩擦因数与静摩擦因数相等)解析：要想物体在第二次经过O点前，在O点左方停住，则需克服摩擦力做功消耗掉全部弹性势能，同时还需合

21、外力为零即满足平衡条件。(1)物体在距离。点为l处停住不动的条件是：a.物体的速度为零，弹性势能的减小等于物体克服滑动摩擦力所做的功。b.弹簧弹力w最大静摩擦力对物体运动做如下分析：物体向左运动并正好停在O点的条件是12,-kAo = JmgA.1仔：=kA02mg1右NkAo,则物体将滑过O点，设它到O点左万B处（设OB=L1）时2mg速度为零，则有：1212,2kAo-万明=Nmg（Ao+L1）1若物体能停住，则kL-g,故得N之kAo3mg1如果能满足，但NkA0。4mg4mg综合以上分析结果，物体停在O点左方而不是第二次经过O点时，N的取值1,1氾围为kAo-kAo4mg2mg,.,1

22、.1（2）当N在kAokAo范围内时，物体向左滑动直至停止而不返回,3mg2mg由式可求出最远停住点（设为B1点）到。点的距离为L - A02mgk（华尧甘当NkA0时，物体在B1点（OB1=&）的速度大于零，因此物体将继续3mg31向左运动，但它不可能停在B1点的左万。因为与B1点相对应的=kAo,kAn一一.L产A0/3,如果停留在Bi点的左万，则物体在Bi点的弹力大于-0,而摩擦力umg险，小于弹力大于摩3擦力，所以物体不可能停住而一定返回，最后停留在。与Bi之间。所以无论R值如何，物体停住与。点的最大距离为，但这不是物体在运3动过程中所能达到的左方最远值。例15:使一原来不带电的导体小

23、球与一带电量为Q的导体大球接触，分开之后，小球获得电量q。今让小球与大球反复接触，在每次分开后，都给大球补充电荷，使其带电量恢复到原来的值Q。求小球可能获得的最大电量。解析：两球接触后电荷的分配比例是由两球的半径决定的，这个比例是恒定的。根据两球带电比例恒定，第一次接触，电荷量之比为Q -qq最后接触电荷之比为Q,有Q -q =Qq qmQqQ - q此题也可以用递推法求解。例16: 一系列相同的电阻R,如图的等效电阻Rab。514所示连接，求AB解析：无穷网络，增加或减小网络的格数，其等效电阻不变，所以Rab跟从CD往右看的电阻是相等的。因此，有图 514Rab =2RRabRRabR解得

24、Rab =(,.3 1)R图 514图 515例17:如图5-15所示，一个U形导体框架，宽度L=1m,其所在平面与水平面的夹角口=30：其电阻可以忽略不计，设匀强磁场为U形框架的平面垂直，磁感应强度B=1T,质量0.2kg的导体棒电阻R=0.1Q,跨放在U形框上，并且能无摩擦地滑动。求：(1)导体棒ab下滑的最大速度Vm;(2)在最大速度Vm时，ab上释放出来的电功率。解析：导体棒做变加速下滑，当合力为零时速度最大，以后保持匀速运动Blv（1）棒ab匀速下滑时，有mgsinot=BIl,而I=.，口mgsin二R解得最大速度Vm*一=0.1m/sBl（2）速度最大时，ab释放的电功率P=mg

25、sinot，vm=0.lW针对训练1 .如图516所示，原长Lo为100厘米的轻质弹簧放置在一光滑的直槽内，弹簧的一端固定在槽的。端，另一端连接一小球，这一装置可以从水平位置开始绕O点缓缓地转到竖直位置。设弹簧的形变总是在其弹性限度内。试在下述（a）、（b）两种情况下，分别求出这种装置从原来的水平位置开始缓缓地绕O点转到竖直位置时小球离开原水平面的高度h。（a）在转动过程中，发现小球距原水平面的高度变化出现极大值，且极大值hm为40厘米，（b）在转动的过程中，发现小球离原水平面的高度不断增大。2 .如图5-17所示，一滑雪运动员自H为50米高处滑至O点，由于运动员的技巧（阻力不计），运动员在。

26、点保持速率V0不变，并以仰角e起跳，落至B点，令OB为L,试问3为300时，L的最大值是多大？当l取极值时，e角为多大？3 .如图518所示，质量为M的长滑块静止放在光滑水平面上，左侧固定一劲度系数为K且足够长的水平轻质弹簧，右侧用一不可伸长的细轻绳连接于竖直墙上，细线所能承受的最大拉力为To使一质量为m,初速度为v0的小物体，在滑块上无摩擦地向左运动，而后压缩弹簧。（1）求出细线被拉断的条件；（2）滑块在细线拉断后被加速的过程中，所能获得的最大的左向加速度为多大？（3）物体最后离开滑块时相对于地面速度恰为零的条件是什么？4 .质量m=2.0kg的小铁块静止于水平导轨AB的A端，导轨及支架AB

27、CD形状及尺寸如图519所示，它只能绕通过支架D点的垂直于纸面的水平轴转动，其重心在图中的。点，质量M=4.0kg,现用一细线沿轨拉铁块，拉力F=12N,铁块和导轨之间的摩擦系数0=0.50,重力加速度g=10m/s2,从铁块运动时起，导轨（及支架）能图 517图 518保持静止的最长时间t是多少?图519图520图5215 .如图520所示，在水平桌面上放一质量为M、截面为直角三角形的物体ABC。AB与AC间的夹角为Q,B点到桌面的高度为ho在斜面AB上的底部A处放一质量为m的小物体。开始时两者皆静止。现给小物体一沿斜面AB方向的初速度v0,如果小物体与斜面间以及ABC与水平桌面间的摩擦都不

28、考虑，则v0至少要大于何值才能使小物体经B点滑出？6 .如图5-21所示，长为L的光滑平台固定在地面上，平台中央放有一小物体A和B,两者彼此接触。物体A的上表面是半径为R(Rl2,磁场的磁感强度为B,方向与线框平面垂直，如图530所示，令EQ图 530线框的dc边从离磁场区域上边界PP的距离为h处自由下落，已知在线框的dc边进入磁场以后，ab边到达边界PP之前的某一时刻线框的速度已达到这一阶段的最大值。边刚刚到达磁场区域下边界多少？QQ的过程中，磁场作用于线框的安培力做的总功为答案:(a)37.5cm(b)50cmh100cm2.Lmax=200m3.v0:,a-.,mKMimM(KMVoT2)v0(m-M)K4.2(Mm)gh1.41s5.J-r6.(1),MmL、gh13(2)1h-R4、,3L(3),.gh7.D8.B、C9.(.5-1)R(.51)R10.mvB2mv13.14.15.13de(1)sdeBI；-mgRsin:(1)里，5gRqL(2)322W=*-mg(l2FRb2l212.(2)加速度BL.gR2Rh)(F-mg)RB2L2mgsin：22mCBLgR1c(3)(4)-mgR2R4