力的正交分解法
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【高中物理】力学:受力分析正交分解法【高中物理】力学:受力分析?正交分解法正交分解法是处理多个力作用问题的基本方法。
物体受到多个方向的外力作用均可使用正交分解法。
当对象受到多个力时,计算其合力,建立平面直角坐标系,并将对象上的每个力移动到平面坐标系的原点(公共点力)。
此时,每个力可以沿x轴和Y轴方向进行正交分解,然后分别沿这两个方向计算合力。
正交分解法是处理多力问题的基本方法。
值得注意的是,在选择方向时,尽可能使更多的力落在方向轴上;分解力尽可能已知。
运用条件当物体受到多个方向的外力时,可以使用正交分解法。
条件意义在求解多个公共点力的合成时,如果连续使用平行四边形规则,一般来说,应求解多个斜三角形,以反复求出部分合力的大小和方向。
计算过程非常复杂。
如果采用力正交分解法计算合力,计算过程更清晰。
它的基本思想是分解然后合成。
运用步骤第一步是直立并与X和Y坐标相交,这是最重要的一步。
X和Y坐标的建立不一定是水平和垂直的。
方向可以根据问题的方便程度设置,但X和Y方向必须相互垂直和正交。
第二步,将题目所给定跟要求的各矢量沿x、y方向分解,求出各分量,凡跟x、y轴方向一致的为正;凡与x、y轴反向为负,标以“一”号,凡跟轴垂直的矢量,该矢量在该轴上的分量为0,这是关键的一步。
第三步,根据各轴方向的运动状态方程,将矢量运算转化为标量运算;如果每个时间段的运动状态不同,则应根据每个时间段的状态分阶段建立方程。
这是这项法律的核心步骤。
第四步,根据各x、y轴的分量,求出该矢量的大小,一定要表明方向,这是最终的一步。
停留高中物理在学习中,正确应用正交分解法可以简化一些复杂问题,有效降低求解难度。
力的正交分解法在整个动力学中起着非常重要的作用。
注意在处理力的合成和分解时,我们通常沿着两个相互垂直的方向分解力。
这种方法称为力的正交分解法。
这是一种非常有用的方法。
使用时请注意以下几点:1.力是矢量f′在x轴y轴上的分矢量f′x和f′y是矢量,分量为正值表示分矢量的方向跟坐标轴的方向相同,分量为负值表示分矢量的方向跟坐标轴的方向相反。
班级: 姓名: 正交分解法解题什么是正交分解法——在分解合力时,如果两个分力的方向刚好垂直,则,可在两分力方向上建立直角坐标系,将力在正交的两条坐标上分解,所以叫正次分解法 正交分解法的步骤(1):对研究对象正确的受力分析,并用力的图示准确的画出来正确分析受力就是要做到不添加力,不遗漏力要用好隔离法分析受力 准确的画图,是指用直尺按比例画好图,便于观察各力间的几何关系(2):建立直角坐标系尽可能使较多的力在坐标轴上,这样不在坐标轴上的力就少,需要分解的力就少,使解题更方便(3):将不在坐标轴上的力分解在坐标轴上,(平行四边行定则变成了矩形) (4):根据图中的几何关系,利用三角函数或匀股定律求出各力的大小 附常用三角函数(sin=对边/斜边 cos=邻边/斜边)(sin300=21 cos300=23 ) (sin450=22 cos450=22 ) (sin600=23 cos600= 21 ) 练习:如图所示,一物体重20N ,置于水平地面上,一拉力作用于物体上,该拉力大小为10N ,且与水平方向夹角为300,物体在该拉力作用下匀速前进,求(1):地面对物体的支持力的大小为多少?(2):物体所受的摩擦力大小为多少?(3):物体与地面间的动摩擦系数为多少?练习:1:气球受60N浮力悬于半空中(重力忽略),风从正东吹来。
气球随风倾斜,使拉气球的绳与地面夹角为600,求绳的拉力为多少?风吹气球的风力为多少?2:如图所示,一挡板垂直于斜面,将一重为30N的小球固定在了斜面上,求挡板对小球的支持力为多少?小球对斜面的压力为多少?3:如图一斜面倾角为450,物体与斜面间的动摩擦因数为 =0.2,一人用与斜面平行的力F将质量为2kg的物体匀速推上斜面,求推力F的大小为多少?。
正交分解法一、正交分解法把力按相互垂直的两个方向分解叫正交分解二、用力的正交分解求多个力的合力1、建立直角坐标系(让尽量多的力在坐标轴上)2、正交分解各力(将各力分解到两个坐标轴上)3、分别求出x 轴和y 轴上各力的合力:4、求出FX 和 Fy 的合力,即为多个力的合力大小: 方向:三、用力的正交分解求解物体平衡问题1、画出物体的受力图。
2、建立直角坐标系。
3、正交分解各力。
(将各力分解到两个坐标轴上)4、物体平衡时各方向上合力为零,分别写出x 方向 和y 方向方程。
22yx F F F +=x yF F =θtan ⎩⎨⎧==θθsin cos F F F F y x ⋅⋅⋅+++=xx x x F F F F 321⋅⋅⋅+++=y y y y F F F F 3215、根据方程求解。
例题2:如图所示,质量为m 的物体放在粗糙水平面上,它与水平面间的滑动摩擦因数为μ,在与水平面成θ角的斜向上的拉力F 作用下匀速向右运动。
求拉力F 的大小。
例题2:如图所示,质量为m 的物体放在粗糙水平面上,它与水平面间的滑动摩擦因数为μ,在与水平面成θ角的斜向上的拉力F 作用下匀速向右运动。
求拉力F 的大小。
∵物体匀速运动,合外力为零由x 方向合外力为零,有:由y 方向合外力为零,有:解得:例题3:如图所示,质量为m 的物体在倾角为θ的粗糙斜面下匀速下滑,求物体与斜面间的滑动摩擦因数。
θμθμsin cos +=mg F 0321=⋅⋅⋅+++=x x x x F F F F 0321=⋅⋅⋅+++=y y y y F F F F NF μθ=⨯cos mgF N =⨯+θsin解析:∵物体匀速运动,合外力为零由x 方向合外力为零,有:由y 方向合外力为零,有:解得:练习一:如图所示,质量为m 的光滑小球放在倾角为θ的斜面上被挡板挡住,求斜面对小球的弹力及挡板对小球的弹力。
θθθμtan cos sin ==Nmg μθ=⨯sin θcos mg N =练习二:如图所示,质量为m的物体在与竖直方向成θ角的恒力F作用下沿粗糙墙面向上匀速运动,求物体与墙壁间的动摩擦因数。
按照实际的作用效果,确定分力的方向。
按照这两个力的方向做平行四边形。
再根据数学几何关系,求出两个分力。
F 1
F 2
F θ
θ
G
G
θ1
F 2
F
G
1
F 2
F θ
1
F 2F θ
G
F
1
F
2
θ
G
质量为m的木块,在拉力F的作用下在水平地面上做匀速运动,
已知木块与地面间的动摩擦因数为u,则木块受到的滑动摩擦力为?
F
θ
正确选择直角坐标系,以此代表分力的方向按照平行四边形定则,做平行四边形再根据数学几何关系,求出两个分力。
︒
120N
F 1251=N
F 3752=N F 3503=︒
90
重力为G的物体静止在斜面上,求静摩擦力的大小?如果该物体在斜面上匀速向下滑动,
求滑动摩擦力的大小?(动摩擦因数为u)θ
三、矢量相加法则
任何矢量相加时
都满足平行四边形定则
四、三角形定则
把两个矢量首尾连接
从而求出合矢量,叫做三角形定则三角形定则的本质是平行四边形定则3N
1N
5N
2N
1N
2N2N
5N5N
1N
3N。
专题一:物体的受力分析
(一)物体的受力分析
物体之所以处于不同的运动状态,是由于它们的受力情况不同。
要研究物体的运动,必须分析物体的受力情况。
正确分析物体的受力情况,是研究力学问题的关键,是必须掌握的基本功。
如何分析物体的受力情况呢?主要依据力的概念,从物体所处的环境(有多少个物体接触)和运动状态着手,分析它与所处环境的其他物体的相互联系。
具体的分析方法是:
1、确定所研究的物体,然后找出周围有哪些物体对它产生作用。
不要找该物体施于其他物体的力。
比如所研究的物体叫A,那么就应该找出“甲对A”和“乙对A”及“丙对A”的力……而“A对甲”或“A对乙”等力就不是A所受的力。
也不要把作用在其他物体上的力错误地认为通过“力的传递”作用在研究对象上。
2、要养成按步骤分析的习惯。
先画重力:作用点画在物体的重心。
其次画接触力(弹力和摩擦力):绕研究对象逆时针(或顺时针)观察一周,看研究对象跟其他物体有几个接触点(面),某个接触点(面)若有挤压,则画出弹力,若还有相对运动或趋势,则画出摩擦力。
分析完这个接触点(面)后再依次分析其他接触点(面)。
再画其他场力:看是否有电场、磁场作用,如有则画出场力。
3、画完受力图后再作一番检查。
检查一下画出的每个力能否找出它的施力物体,若没有施力物体,则该力一定不存在。
特别是检查一下分析的结果,能否使研究对象处于题目所给的运动状态,否则必然发生了多力或漏力的现象。
4、如果一个力的方向难以确定,可用假设法分析。
先假设此力不存在,观察所研究的物体会发生怎样的运动,然后审查这个力应在什么方向时,研究对象才能满足给定的运动状态。
5、合力和分力不能重复地列为物体所受的力。
力的合成与分解的过程是合力与分力“等效替代”的过程,合力和分力不能同时存在。
在分析物体受力情况时,如果已考虑了某个力,那么就不能再考虑它的分力。
例如,在分析斜面上物体的受力情况时,就不能把物体所受重力和“下滑力”并列为物体所受的力,因为“下滑力”是物体所受重力在沿斜面方向上的一个分力。
专题二:力的正交分解法
1、定义:把力沿着两个选定的互相垂直的方向分解,叫做力的正交分解法。
说明:正交分解法是一种很有用的方法,尤其适于物体受三个或三个以上的共点力作用的情怳。
2、正交分解的原理
一条直线上的两个或两个以上的力,其合力可由代数运算求得。
当物体受到多个力的作
用,并且这几个力只共面不共线时,其合力用平行四边形定则求解很不方便。
为此,我们建立一个直角坐标系,先将各力正交分解在两条互相垂直的坐标轴上,分别求出两个不同方向
上的合力F x和F y,然后就可以由F合=,求合力了。
说明:“分”的目的是为了更方便的“合”
正交分解法的步骤:
(1)以力的作用点为原点作直角坐标系,标出x轴和y轴,如果这时物体处于平衡状态,则两轴的方向可根据方便自己选择。
(2)将与坐标轴不重合的力分解成x轴方向和y轴方向的两个分力,并在图上标明,用符号F x和F y表示。
(3)在图上标出力与x轴或力与y轴的夹角,然后列出F x、F y的数学表达式。
如:F 与x轴夹角为θ,则F x=Fcosθ,F y=Fsinθ。
与两轴重合的力就不需要分解了。
(4)列出x轴方向上的各分力的合力和y轴方向上的各分力的合力的两个方程,然后再求解。
【典型例题】
例1、如图所示,用绳AC和BC吊起一个重100N的物体,两绳AC、BC与竖直方向的夹角分别为30°和45°。
求:绳AC和BC对物体的拉力的大小。
解:此题可以用平行四边形定则求解,但因其夹角不是特殊角,计算麻烦,如果改用正交分解法计算简便得多。
先以C为原点作直角坐标系,设x轴水平,y轴竖直,在图上标
出F AC和F BC在x轴和y轴上的分力。
即:
F ACx=F AC sin30°=F AC F ACy=F AC cos30°=F AC
F BCx=F BC sin45°=F BC F BCy=F BC cos45°=F BC
在x轴上,F ACx F BCx大小相等即F AC=F BC (1)在y轴上,F ACy与F BCy的合力与重力相等
即F AC+F BC=100 (2)
解(1)(2)得绳BC的拉力F BC=25(-)N=25(-1)N
绳AC的拉力F AC=50(-1)N
例2、如图所示,重力为500N的人通过跨过定滑轮的轻绳牵引重200N的物体,当绳与水平面成60°角时,物体静止。
不计滑轮与绳的摩擦,求地面对人的支持力和摩擦力。
分析:人和重物静止,所受合力皆为零,对物分析得到,绳拉力F等于物重200N;人受四个力作用,将绳的拉力分解,即可求解。
解:如图所示,将绳的拉力分解得
水平分力F x=Fcos60°=200×N=100N
竖直分力F y=Fsin60°=200×N =100N
在x轴上,F′与F x二力平衡所以静摩擦力F′=F x =100N
在y轴上,三力平衡得地面对人支持力
F N=G-F y=(500-100)N=100(5-)N
例3、如图所示:将重力为G的光滑圆球用细绳拴在竖直墙壁上,如图,当把绳的长度增长,则绳对球的拉力T和墙对球的弹力N是增大还是减小。
图(a)
解:根据球的平衡条件=0用已知力G求未知力T、N。
(1)明确对象,作受力分析,如图(a),球受G、N、T,设绳与墙夹角为θ。
(2)选用方法:
A、合成法:因为=0。
所以任意两个力的合力均与第三个力大小相等,方向相反。
如图(b),N、G合力T?,T?=T根据平行四边形法则,则在
图(b)图(c)
B、分解法:因为=0。
所以其中任一个力在其它两个力方向的分力均与该力大小相等、方向相反而平衡。
如图(c),在T、N方向上分解G有T?=T,N?=N。
仍可看。
C、用正交分解法:建立直角坐标系。
如图(d),因为球受=0,必同时满足
,。
对三种解法要深刻理解,针对具体问题灵活运用,讨论结果:。