高考物理一轮复习讲义 第二章 相互作用 第3讲 共点力作用下物体的平衡 教科版
- 格式:doc
- 大小:976.00 KB
- 文档页数:8
第二章相互作用练案[6] 第3讲受力分析共点力的平衡一、选择题(本题共13小题,1~9题为单选,10~13题为多选)1.(2023·浙江高三阶段练习)如图所示,在倾斜的滑杆上套一个质量为m的圆环,圆环通过轻绳拉着一个质量为M的物体,在圆环沿滑杆向下滑动的过程中,悬挂物体的轻绳始终处于竖直方向,则( B )A.环只受三个力作用B.环一定受四个力作用C.物体做匀加速运动D.悬绳对物体的拉力小于物体的重力[解析]悬挂物体的轻绳始终处于竖直方向,可知整体沿斜面向下做匀速运动,受力平衡,则环受重力、细绳的拉力、滑杆对圆环的支持力和摩擦力,共4个力作用,B正确,AC错误;因物体受力平衡,可知悬绳对物体的拉力等于物体的重力,D错误。
2.(2023·广东高三专题练习)救援机器人的手臂前端装有铁夹。
在某次救援活动中,救援机器人用铁夹抓着两个重力都为G的水泥制品,使之保持静止状态,铁夹与水泥制品及水泥制品间的接触面竖直,如图所示。
若水泥制品受铁夹的最小压力为N时,才能使水泥制品不滑出铁夹,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则( D )A.两水泥制品间动摩擦因数G 2NB .两水泥制品间动摩擦因数可以求出C .铁夹与水泥制品间动摩擦因数G 2ND .铁夹与水泥制品间动摩擦因数G N[解析]对水泥制品整体分析可知2F f =2G ,则F f =G ,对单个的水泥制品分析可知,两水泥制品之间的摩擦力F ′f =0,则两水泥制品间动摩擦因数无法求出,A 错误,B 错误;铁夹与水泥制品间动摩擦因数μ=F f N =G N ,C 错误,D 正确。
3.(2022·湖北黄冈中学二模)如图所示,水平地面上叠放着矩形物体A 和B ,细线一端连接A ,另一端跨过光滑定滑轮连接着物体C ,A 、B 、C 均静止。
下列说法正确的是( D )A .A 可能受到三个力作用B .B 可能受到四个力作用C .适当减小C 的质量后,A 、B 、C 仍静止在原位置,则A 对B 的摩擦力不变D .适当减小C 的质量后,A 、B 、C 仍静止在原位置,B 对地面的压力增大[解析]物体A 受力分析如图共受到四个力,故A 错误;物块B受力分析如图共受到五个力,故B错误;适当减小C的质量后,A、B、C仍静止在原位置,可知T减小,θ不变,由F fA=T cos θ,可知,则B对A的摩擦力减小,则A对B的摩擦力减小;因为F NA =m A g-T sin θ,F NB=F′NA+m B g,T减小,θ不变,可知适当减小C的质量后,A、B、C仍静止在原位置,B对地面的压力增大,故C错误,D正确。
第3节受力分析共点力的平衡知识点1受力分析1. 定义把指定物体(研究对象)在特定的物理环境中受到的所有外力都找出来,并画出堂力蓮蚩的过程.2. 受力分析的一般顺序(1) 首先分析场力(重力、电场力、磁场力).(2) 苴次分析接触力(弹力、摩擦力).(3) 最后分析其他力.知识点2平衡条件及苴推论1. 平衡状态物体处于静止状态或匀速直线运动状态,即a=0.2. 动态平衡物体在缓慢运动时所处的一种近似平衡状态.3. 共点力的平衡条件尸合=0或斤=0、疗=04. 平衡条件的推论(1) 二力平衡:如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必宦大小相等, 方向相反.(2) 三力平衡:如果物体在三个共点力的作用下处于平衡状态,英中任何一个力与其余两个力的合力大小相等,方向相反;并且这三个力的矢量可以形成一个矢量三角形.(3) 多力平衡:如果物体在多个共点力的作用下处于平衡状态,英中任何一个力与其余几个力的合力大小相等,方向相反.1. 正误判断(1) 用力向真空中挥一挙,这个过程中只有施力物体而没有受力物体.(X)(2) 物体沿光滑斜面下滑时,物体受到重力、支持力和下滑力的作用.(X)(3) 对物体进行受力分析时不用区分外力与内力,两者都要同时分析.(X)(4) 处于平衡状态的物体加速度一定等于零.(J)(5) 速度等于零的物体一沱处于平衡状态.(X)⑹若三个力乙、尺、人平衡,将斤转动90°时,三个力的合力大小为谑几.3)(7)物体在缓慢运动时所处的状态不属于平衡状态.(X)2. (物体的受力分析)如图2-3-1所示,两梯形木块月、万叠放在水平地面上,A.万之间的接触而倾斜.月的左侧靠在光滑的竖直墙而上,关于两木块的受力,下列说法正确的是 ()图2- 3-1A. A. E之间一定存在摩擦力作用B. 木块力可能受三个力作用C. 木块川一定受四个力作用D. 木块尸受到地而的摩擦力作用方向向右【答案】B3. (平衡条件推论的应用)如图2-3-2所示,某人静躺在椅子上,椅子的靠背与水平而之间有固迫倾斜角〃•若此人所受重力为G,则椅子各部分对他的作用力的合力大小为()图2- 3- 2A・G B・Gsin 0C. 6cos 0【答案】A[核心精讲]1.受力分析的四个方法(1)假设法:在受力分析时,D. 6tan 0若不能确龙某力是否存在,可先对其作出存在的假设,然后根据分析该力存在对物体运动状态的影响来判断该力是否存在.(2) 整体法:将加速度相同的几个相互关联的物体作为一个整体进行受力分析的方法.(3) 隔离法:将所研究的对象从周囤的物体中分离岀来,单独进行受力分析的方法.(4) 动力学分析法:对加速运动的物体进行受力分析时,应用牛顿运动定律进行分析求解的方法.2. 受力分析的四个步骤(1) 明确研究对象:确左受力分析的物体,研究对象可以是单个物体,也可以是多个物体的组合.(2) 隔离物体分析:将研究对象从周用物体中隔离出来,进而分析周围有哪几个物体对它施加了力的作用(重力一弹力一摩擦力一其他力).(3) 画出受力示意图:画出受力示意图,准确标出各力的方向.(4) 检査分析结果:检查画出的每一个力能否找岀它的施力物体,检査分析结果能否使研究对象处于题目所给的物理状态.[题组通关]1. (多选)如图2-3-3所示,固泄斜而上有一光滑小球,有一竖直轻弹簧尸与一平行斜而的轻弹簧0连接着,小球处于静止状态,则关于小球所受力的个数可能的是()【导学号:96622031]图2- 3- 3A. 1B. 2C. 3D. 4BCD若斤=輻则小球只受拉力冃和重力昭两个力作用;若"阳,则小球受拉力月、重力阳、支持力”和弹簧Q的弹力尺四个力作用,若月=0,则小球要保持静止,应受爪月和砒三个力作用,故小球受力个数不可能为1.2. 如图2・3-4所示,A.万两物体紧靠着放在粗糙水平而上,A.万间接触而光滑.在水平推力尸作用下两物体一起加速运动,物体£恰好不离开地而,则物体月的受力个数为()图2-3-4A. 3B. 4C. 5D. 6A由于物体川恰好不离开地而,因此川不受地面的支持力和摩擦力而只受重力、尸和万对月垂直斜面向上的支持力,故正确答案为A.[名师微博]四点提醒:1. 每分析一个力,都应找出施力物体.2. 分析研究对象受的力,不要把研究对象对其他物体施加的力也加在研究对象上.3. 只分析根据力的性质命名的力(场力、弹力、摩擦力等),不分析根据效果命爼的力(向心力、下滑力、回复力等).4. 为了使问题简化,忽略某些次要的力,如:微小粒子的重力、速度不大时空气的阻力等,至于何时忽略某个力的影响,要依据题目的具体情景和条件而定.[核心精讲]1. 处理平衡问题的常用方法2. 应用平衡条件解题的步骤(1) 选取研究对象:根据题目要求,选取一个平衡体(单个物体或系统,也可以是结点) 作为研究对象.(2) 画受力示意图:对研究对象按受力分析的顺序进行受力分析,画岀受力示意图.(3) 建立坐标系:选取合适的方向建立直角坐标系.(4) 列方程求解:根据平衡条件列出平衡方程,解平衡方程,对结果进行讨论.[师生共研]•考向1合成法与分解法的应用卜例51 (2016 •全国丙卷)如图2-3-5所示,两个轻环a和&套在位于竖直而内的一段固泄圆弧上:一细线穿过两轻环,其两端各系一质量为皿的小球.在a和b之间的细线上悬挂一小物块.平衡为()图2-3-5A•扌时,a、b间的距离恰好等于圆弧的半径.不计所有摩擦.小物块的质量C如图所示,由于不计摩擦,线上张力处处相等,且轻环受细线的作用力的合力方向指向圆心.由于a、b间距等于圆弧半径,则厶0b= 60°,进一步分析知,细线与a0、60间的夹角皆为30°•取悬挂的小物块研究,悬挂小物块的细C・a D・2m线张角为120。
第3讲受力分析共点力的平衡时间:50分钟满分:100分一、选择题(本题共10小题,每小题7分,共70分。
其中1~7题为单选,8~10题为多选)1.我国的高铁技术在世界处于领先地位,高铁(如图甲所示)在行驶过程中非常平稳,放在桌上的水杯几乎感觉不到晃动.图乙为高铁车厢示意图,A、B两物块相互接触地放在车厢里的水平桌面上,物块与桌面间的动摩擦因数相同,A的质量比B的质量大,车厢在平直的铁轨上向右做匀速直线运动,A、B相对于桌面始终保持静止,下列说法正确的是()A.A受到2个力的作用B.B受到3个力的作用C.A受到桌面对它向右的摩擦力D.B受到A对它向右的弹力答案A解析车厢在平直的铁轨上向右做匀速直线运动,此时AB 均向右做匀速直线运动,故A、B均只受重力和支持力作用,水平方向不受外力,故水平方向均不受摩擦力,同时A、B间也没有弹力作用,故A正确,B、C、D错误。
2.下列四个图中所有接触面均粗糙,各物体均处于静止状态,其中物体A受力个数可能超过5个的是()答案C解析A选项中对整体分析,可知墙壁对A没有弹力,故A 最多受到重力、B的支持力、B的摩擦力、弹簧的拉力共四个力,故A错误;B选项中A最多受四个力,故B错误;C选项中A受重力、B的压力和摩擦力、斜面的支持力、推力,也可能受到斜面的摩擦力,共六个力,故C正确;D选项中A最多受到重力、斜面的支持力、摩擦力、推力和B的压力共五个力,故D错误。
3。
飞艇常常用于执行扫雷、空中预警、电子干扰等作战任务。
如图所示为飞艇拖曳扫雷具扫除水雷的模拟图。
当飞艇匀速飞行时,绳子与竖直方向的夹角恒为θ。
已知扫雷具质量为m,重力加速度为g,扫雷具所受浮力不能忽略,下列说法正确的是()A.扫雷具受3个力作用B.绳子拉力大小为错误!C.水对扫雷具作用力的水平分力小于绳子拉力D.绳子拉力一定大于mg答案C解析扫雷具受到重力、绳子拉力、水的阻力、水的浮力共4个力作用,A错误;设扫雷具所受水的浮力为f,绳子的拉力为F,由F cosθ=mg-f,解得绳子拉力F=错误!,B错误;水对扫雷具的作用力包括竖直向上的浮力和水平向右的阻力,绳子拉力在水平方向的分力大小等于水的阻力(即水对扫雷具作用力的水平分力),所以水对扫雷具作用力的水平分力小于绳子拉力,C 正确;在竖直方向,重力竖直向下,浮力竖直向上,则由mg=f+F cosθ可知,无法判断绳子拉力与重力mg的大小关系,D错误。
第3讲共点力作用下物体的平衡一、受力分析1.定义把指定物体(研究对象)在特定的物理环境中受到的所有外力都找出来,并画出受力________的过程.2.受力分析的一般顺序先画已知力,其次分析场力(________、电场力、磁场力),再分析接触力(弹力、________),最后分析其他力.如图所示对A受力分析.二、共点力的平衡1.平衡状态物体处于________状态或________________状态.2.平衡条件F合=0或者{F x=0F y=0则小球F合=____;即F-mg=0.物块F x=____,F y=____;即F cos θ-F f=0,F sin θ+F N-mg=0.3.平衡条件的推论(1)二力平衡:如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必定大小________,方向________.(2)三力平衡:如果物体在三个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与另外两个力的合力大小________,方向________,并且这三个力的矢量可以形成一个封闭的矢量________.(3)多力平衡:如果物体在多个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与另外几个力的合力大小________,方向________.,生活情境1.一个小朋友从滑梯的最高点由静止向下滑动的情景,如下图所示,在分析小朋友受力情况时,判断下列正误.(1)小朋友在下滑过程中,受重力、支持力、滑动摩擦力和下滑力.( )(2)小朋友在滑梯最高点静止时,受力平衡.( )(3)小朋友从最高点向下滑动的瞬间,因速度为零,所以她处于平衡状态.( )(4)小朋友对滑梯的压力和摩擦力,都作用在滑梯上.( )教材拓展2.[人教版必修1P91T1改编]如图所示,光滑竖直墙壁上有一颗钉子,分两次用长短不同的轻绳将同一个足球挂在该钉子上,足球分别静止在A、B两点;绳子拉力分别为T A和T B,墙对足球的支持力分别为N A 和N B,则下列说法正确的是( )A.T A<T B,N A<N BB.T A>T B,N A<N BC.T A<T B,N A>N BD.T A>T B,N A>N B考点一受力分析1.研究对象的选取方法整体法和隔离法(1)采用整体法进行受力分析时,要注意系统内各个物体的状态应该相同.(2)当直接分析一个物体的受力不方便时,可转移研究对象,先分析另一个物体的受力,再根据牛顿第三定律分析该物体的受力,此法叫“转移研究对象法”.2.受力分析中的“2分析”“2注意”(1)“2分析”:①只分析研究对象受的力,不分析研究对象给其他物体的力;②只分析性质力(六种常见力),不分析效果力,如向心力等.(2)“2注意”:①合力与分力不可同时作为物体受的力;②物体的受力情况与运动情况相对应.例1 (多选)如图所示,地面上固定一个斜面体,上面叠放着A、B两个物块并均处于静止状态,现对物块A施加一斜向上的力F,A、B两个物块始终处于静止状态.则物块B的受力个数可能是( )A.3个B.4个C.5个D.6个跟进训练1.[2021·浙江6月,4]2021年5月15日,天问一号着陆器在成功着陆火星表面的过程中,经大气层290 s的减速,速度从4.9×103 m/s减为4.6×102 m/s;打开降落伞后,经过90 s速度进一步减为1.0×102 m/s;与降落伞分离,打开发动机减速后处于悬停状态;经过对着陆点的探测后平稳着陆.若打开降落伞至分离前的运动可视为竖直向下运动,则着陆器( ) A.打开降落伞前,只受到气体阻力的作用B.打开降落伞至分离前,受到的合力方向竖直向上C.打开降落伞至分离前,只受到浮力和气体阻力的作用D.悬停状态中,发动机喷火的反作用力与气体阻力是平衡力2.体育游乐项目滑索也称“速滑”“速降”“空中飞人”等.游客可跨越草地、湖泊、河流、峡谷,借助高度差从高处以较高的速度向下滑行,在有惊无险的快乐中感受刺激和满足.若忽略空气阻力,在最后一段游客缓慢下滑的过程中,下列有关游客的受力分析图象正确的是( )考点二共点力作用下物体的平衡解答静态平衡问题的思路:例2如图所示是一竖直固定的光滑圆环,中央有孔的小球P和Q套在环上,由伸直的细绳连接,它们恰好能保持静止状态.已知Q的质量为m,OQ连线水平,PQ细绳连线与水平线夹角为30°.则( )A.细绳对Q球的拉力大小为mgmgB.环对Q球的支持力大小为√33C.P球的质量为2mD.环对P球的支持力大小为√3mg跟进训练3. [2022·河南九师联盟高三模拟]如图所示,将一个质量为m的半球形物体放在倾角为37°的斜面上,用通过球心且水平向左的力F作用在物体上使其静止.已知物体与斜面间的动摩擦因数为μ=0.5,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.要使半球体刚好沿斜面上滑,则力F的大小是( )A.mg B.2mg C.3mg D.4mg4.[2022·四川四市调研]如图所示,两个相同的木模质量均为m,靠三根竖直细线连接,在水平面上按一个“互”字形静置,上方木模呈现悬浮效果,这是利用了建筑学中的“张拉整体”(Tensegrity)结构原理.图中短线a上的张力F1和水平面所受压力F2满足( )A.F1>mg,F2<2mg B.F1>mg,F2=2mgC.F1<mg,F2<2mg D.F1<mg,F2=2mg考点三动态平衡问题1.解决动态平衡问题的一般思路:把“动”化为“静”,“静”中求“动”.2.分析动态平衡问题方法的选取技巧(1)解析法①列平衡方程,列出未知量与已知量的关系表达式.②根据已知量的变化情况来确定未知量的变化情况.(2)图解法(3)相似三角形法①根据已知条件画出对应的力的三角形和空间几何相似三角形,确定对应边,利用三角形相似法列出比例式;②确定未知量的变化情况.例1. [2021·湖南卷,5]质量为M的凹槽静止在水平地面上,内壁为半圆柱面,截面如图所示,A为半圆的最低点,B为半圆水平直径的端点.凹槽恰好与竖直墙面接触,内有一质量为m的小滑块.用推力F推动小滑块由A点向B点缓慢移动,力F的方向始终沿圆弧的切线方向,在此过程中所有摩擦均可忽略,下列说法正确的是( )A.推力F先增大后减小B.凹槽对滑块的支持力先减小后增大C.墙面对凹槽的压力先增大后减小D.水平地面对凹槽的支持力先减小后增大跟进训练5.[2022·郑州一模]如图所示,足够长的光滑平板AP与BP用铰链连接,平板AP与水平面成53°角固定不动,平板BP可绕水平轴在竖直面内自由转动,将小球O放在两板间.在使BP板由水平位置缓慢转动到竖直位置的过程中,下列说法正确的是( ) A.当BP沿水平方向时,BP板受到的压力最大B.当BP沿竖直方向时,AP板受到的压力最大C.当BP沿竖直方向时,BP板受到的压力最小D.当BP板与AP板垂直时,AP板受到的压力最小6.如图所示,竖直墙壁上固定有一个光滑的半圆形支架(AB为直径),支架上套着一个小球,轻绳的一端P悬于墙上某点,另一端与小球相连.已知半圆形支架的半径为R,轻绳长度为L,且R<L<2R.现将轻绳的上端点P沿墙壁缓慢下移至A点,此过程中轻绳对小球的拉力F1及支架对小球的支持力F2的大小变化情况为( )A.F1和F2均增大B.F1保持不变,F2先增大后减小C.F1先减小后增大,F2保持不变D.F1先增大后减小,F2先减小后增大考点四平衡中的临界、极值问题1.临界问题当某物理量变化时,会引起其他几个物理量的变化,从而使物体所处的平衡状态“恰好出现”或“恰好不出现”,在问题的描述中常用“刚好”“刚能”“恰好”等语言叙述.2.极值问题平衡中的极值问题,一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题.3.解决极值问题和临界问题的方法(1)图解法:根据物体的平衡条件,作出力的矢量图,通过对物理过程的分析,利用平行四边形定则进行动态分析,确定最大值与最小值.(2)数学解法:通过对问题的分析,依据物体的平衡条件写出物理量之间的函数关系(或画出函数图象),用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值).例4 [2022·广西南宁一模]某位同学用筷子将一质量分布均匀的球夹起悬停在空中,如图所示.已知球心O与两根筷子在同一竖直面内,球质量为0.1 kg,筷子与竖直方向之间的夹角均为θ=37°,筷子与球表面间的动摩擦因数为0.875,最大静摩擦力等于滑动摩擦力.取重力加速度g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.则每根筷子对球的压力至少为( )A.5 N B.7.5 NC.10 N D.12.5 N跟进训练7.如图所示,三根不可伸长的轻绳一端共同系于O点,A端和B端分别固定在墙壁和地面上.某同学现用水平方向的力拉绳OC,三绳绷紧后,OB绳竖直,OC绳水平,OA绳与竖直墙面夹角θ=30°.三根绳能承受的最大拉力均为300 N,为保证三根轻绳都不被拉断,则人对OC绳的水平拉力不能超过( )A.100 N B.150 NC.150√3 N D.300 N8.如图所示,某同学用拖把直行拖地,沿推杆方向对拖把施加推力F,推力与水平面的夹角为θ,随着θ逐渐减小直到水平的过程中,拖把始终沿水平面做匀速直线运动.关于拖把受到的外力,下列判断正确的是( )A.推力F先增大后减小B.推力F一直减小C.拖把受到的摩擦力先减小后增大D.拖把受到的摩擦力一直不变第3讲共点力作用下物体的平衡必备知识·自主排查一、1.示意图 2.重力摩擦力二、1.静止匀速直线运动2.0 0 03.(1)相等相反(2)相等相反三角形(3)相等相反生活情境1.(1)×(2)√(3)×(4)√教材拓展2.答案:D关键能力·分层突破例1 解析:对A、B物块整体受力分析,整体受到重力、拉力、支持力,可能有静摩擦力;对物块A受力分析,物块A受拉力、重力、支持力和向右的静摩擦力,处于平衡状态;最后分析物块B的受力情况,物块B受重力、物块A对物块B的压力、物块A对物块B向左的静摩擦力、斜面的支持力,斜面对物块B可能有静摩擦力,也可能没有静摩擦力,故物块B受4个力或者5个力.故B、C正确,A、D错误.答案:BC1.解析:着陆器打开降落伞前受火星引力和气体阻力作用,A错误;打开降落伞至分离前,着陆器受火星引力以及气体阻力作用和浮力作用,C错误;由题意知,打开降落伞至分离前,着陆器处于竖直方向上的减速运动状态,向上的气体阻力和浮力大于向下的火星引力,故着陆器受到的合力方向与运动方向在同一条直线上且竖直向上,B正确;着陆器处于悬停状态时,发动机喷火的反作用力的方向向上,气体阻力的方向也向上,故二者不是平衡力,D错误.答案:B2.解析:由题意可知,游客在缓慢下滑的过程中做匀速运动,合力为零,对游客进行受力分析,有垂直于倾斜绳索斜向上的支持力F T、与速度方向相反的摩擦力F f和游客的重力mg,故选D.答案:D例2 解析:对Q球,受力分析如图所示.分解拉力T,可知竖直方向有T sin 30°=mg,水平方向有T cos 30°=N Q,解得细绳对Q球的拉力大小为T=2mg,选项A错误;环对Q球的支持力大小为N Q=√3mg,选项B错误;对P球,受力分析如图所示.在水平方向T cos 30°=N P sin 30°,在竖直方向N P cos 30°=m P g+T sin 30°,解得m P=2m,N P=2√3mg,选项C正确,D错误.答案:C3.解析:分析半球形物体的受力,如图所示,物体刚好沿斜面上滑时,由平衡条件得F cos 37°-mg sin 37°=μN,N=F sin 37°+mg cos 37°,联立两式解得F=2mg,故只有选项B正确.答案:B4.解析:以两个木模组成的整体为研究对象,受力分析可知,其受重力和地面的支持力,则支持力的大小等于两个木模重力大小之和,结合牛顿第三定律得水平面所受压力为F2=2mg;以上面的木模为研究对象,受力分析可知,其受重力、左侧两段细线向下的拉力、右侧短线a向上的拉力,则由力的平衡条件得F1=mg+2F T,即F1>mg.故B正确,A、C、D 错误.答案:B例3解析:对小滑块受力分析,如图所示,由题意可知,推力F与凹槽对滑块的支持力F N 始终垂直,即α+β始终为90°,在小滑块由A点向B点缓慢移动的过程中,α减小,β增大,而F=mg cos α、F N=mg sin α,可知推力F一直增大,凹槽对滑块的支持力F N一直减小,A、B错误;对小滑块和凹槽整体根据平衡条件可得,墙面对凹槽的压力大小F N1=Fmg sin 2α,水平地面对凹槽的支持力F N2=Mg+mg-F sin α,在小滑块由A点cos α=12向B点缓慢移动的过程中,α由π逐渐减小到零,根据数学知识可知墙面对凹槽的压力先增2大后减小,水平地面对凹槽的支持力一直减小,C正确,D错误.答案:C5.解析:小球受重力、平板AP弹力F1和平板BP弹力F2,将F1与F2合成为F=mg,如图:小球一直处于平衡状态,三个力中的任意两个力的合力与第三个力等值、反向、共线,故F1和F2的合力F一定与重力等值、反向、共线.从图中可以看出,当平板BP逆时针缓慢地转向竖直位置的过程中,F1越来越大,F2先变小,后变大;当BP沿水平方向时,BP板受到的压力不是最大,选项A错误;当BP沿竖直方向时,AP板受到的压力最大,选项B正确;当BP与AP垂直时,BP板受到的压力最小,选项C错误;当BP板水平时,AP板受到的压力为零,最小,选项D错误.答案:B6.解析:小球受重力、绳的拉力和支架提供的支持力,由于平衡,三个力可以构成矢量三角形,如图所示.根据平衡条件,该矢量三角形与几何三角形POC相似,故GPO =F1L=F2R,解得F1=LPO G,F2=RPOG,当P点下移时,PO减小,L、R不变,故F1增大,F2增大,A正确.答案:A例 4 解析:球在重力、筷子的压力、静摩擦力的作用下保持平衡.根据对称性可知,在竖直方向上有2F f cos θ-2F N sin θ=mg,而F f≤F fmax=μF N,解得F N≥mg2(μcos θ-sin θ)=0.1×102×(0.875×0.8-0.6)N=5 N,选项A正确.答案:A7.解析:如图所示对结点受力分析,由边角关系可知OA绳中的拉力最大,由平衡条件得F A=F=F Csin θ,只要OA不被拉断,则三根轻绳都不被拉断,则F A≤300 N,解得F C≤150 N,选项B正确.11 答案:B8.解析:物体受力如图所示,由平衡条件得,水平方向F cos θ-F f =0,竖直方向有F N -(mg +F s in θ)=0,又F f =μF N ,联立可得F =μmg cos θ-μsin θ.可见,当θ减小时,F 一直减小,故B 正确.答案:B。
第3讲 受力分析 共点力的平衡一、受力分析1.受力分析把指定物体(研究对象)在特定的物理环境中受到的所有外力都找出来,并画出受力① 示意图 ,这个过程就是受力分析。
2.受力分析的一般步骤二、共点力的平衡1.平衡状态物体处于⑥ 静止 状态或⑦ 匀速直线运动 状态。
2.平衡条件 F 合=⑧ 0 或者 {F F =0F F =0如图,小球静止不动,物块匀速运动。
那么:小球F 合=F-mg=0。
物块F x=F1-F f=0,F y=F2+F N-mg=0。
3.平衡条件的推论(1)二力平衡:如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必定大小相等,方向相反。
(2)三力平衡:如果物体在三个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与其余两个力的合力大小相等,方向相反。
(3)多力平衡:如果物体在多个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与其余几个力的合力大小相等,方向相反。
1.判断以下说法对错。
(1)对物体受力分析时,只能画该物体受到的力,其他物体受到的力不能画在该物体上。
(√)(2)物体沿光滑斜面下滑时,受到重力、支持力和下滑力的作用。
(✕)(3)物体的速度为零即处于平衡状态。
(✕)(4)物体处于平衡状态时,其加速度一定为零。
(√)(5)物体受两个力处于平衡状态,这两个力必定等大反向。
(√)(6)物体处于平衡状态时,其所受的作用力必定为共点力。
(✕)2.一建筑塔吊如下图向右上方匀速提升建筑物料,假设忽略空气阻力,那么以下有关物料的受力图正确的选项是( )2.答案 D3.如下图,质量为M的小英坐在质量为m的雪橇上,狗拉着雪橇沿水平地面从静止开始向左移动了一段距离,假定狗对雪橇的拉力恒为F且与水平方向成θ角。
雪橇与雪地间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,那么以下说法正确的选项是( )A.雪橇对小英的作用力大小大于MgB.雪橇受到的摩擦力f=μ(M+m)gC.雪橇受到的摩擦力f=F cos θD.地面对雪橇的支持力F N=mg-F sin θ3.答案 A考点一受力分析整体法与隔离法的应用整体法与隔离法1.(多项选择)如下图,一个质量m=0.3 kg的小球穿在水平直杆上处于静止状态,现对小球施加一个5 N的拉力F,F与杆的夹角为37°,小球与杆之间的动摩擦因数μ=0.5,取g=10m/s2,sin 37°=0.6,cos37°=0.8,那么( )A.小球受到2个力B.小球受到3个力C.假设F=10 N,那么小球受4个力D.假设F=10 N,那么小球受3个力答案AC 建立如图直角坐标系F在y轴上的分力F y=F sin 37°=3 N,F与重力在y轴上的合力刚好为0,所以杆与小球只接触不挤压,无弹力和摩擦力,A对,B错;当F=10 N时,F y=6 N,它与重力在y轴上的合力为3 N,垂直于杆向上,此时杆对小球的弹力垂直于杆向下,且F在水平方向上有分力,因此杆对小球还有摩擦力,小球一共受四个力,C对,D错。
第3讲 共点力的平衡条件和应用知识排查知识点一 受力分析1.受力分析:把研究对象(指定物体)在特定的物理环境中受到的所有力都找出来,并画出受力示意图的过程。
2.受力分析的一般顺序(1)首先分析场力(重力、电场力、磁场力)。
(2)其次分析接触力(弹力、摩擦力)。
(3)最后分析其他力。
知识点二 共点力的平衡条件 1.平衡状态物体处于静止或匀速直线运动的状态,即a =0。
2.平衡条件F 合=0或⎩⎪⎨⎪⎧F x =0F y =0如图1甲所示,小球静止不动,如图乙所示,物块匀速运动。
图1则:小球F 合=0 F N sin θ=F 推,F N cos θ=mg 。
物块F x =F 1-F f =0,F y =F 2+F N -mg =0。
知识点三 平衡条件的推论1.二力平衡:如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必定大小相等,方向相反。
2.三力平衡:如果物体在三个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与其余两个力的合力大小相等,方向相反。
3.多力平衡:如果物体在多个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与其余几个力的合力大小相等,方向相反。
小题速练1.思考判断(1)对物体进行受力分析时,不用区分外力和内力,两者都要同时分析。
( )(2)物体处于平衡状态时,其所受的作用力必定为共点力。
( )(3)加速度等于零的物体一定处于平衡状态。
( )(4)速度等于零的物体一定处于平衡状态。
( )(5)物体在缓慢运动时所处的状态不能认为是平衡状态。
( )答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)×2.“阶下儿童仰面时,清明妆点正堪宜。
游丝一断浑无力,莫向东风怨别离。
”这是《红楼梦》中咏风筝的诗,风筝在风力F、线的拉力F T以及重力G的作用下,能够高高地飞在蓝天上。
关于风筝在空中平衡时的受力可能正确的是( )解析在B、C、D三个图中,合力不可能为零,不能处于平衡状态,只有A图,在三个力的作用下能处于平衡状态,故A正确。
第3讲 共点力作用下物体的平衡一、共点力几个力都作用在物体的同一点上,或者虽不作用在同一点上,但它们的延长线交于一点,则这几个力称为共点力.二、共点力的平衡1.平衡状态:物体保持静止或匀速直线运动状态. 2.共点力的平衡条件:F 合=0或者⎩⎪⎨⎪⎧F x =0.F y =0.3.平衡条件的推论 (1)二力平衡如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必定大小相等,方向相反,作用在一条直线上. (2)三力平衡如果物体在三个互不平行的共点力的作用下处于平衡状态,其中任意两个力的合力一定与第三个力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上.(3)多力平衡如果物体受多个力作用处于平衡状态,其中任何一个力与其余力的合力大小相等、方向相反、作用在一条直线上.1.如图所示,放在水平面上的物体受到一个水平向右的拉力F 作用而处于静止状态,下列说法中正确的是( )A .物体对水平面的压力就是物体的重力B .拉力F 和水平面对物体的摩擦力是一对作用力和反作用力C .物体受到四对平衡力的作用D .物体受到的合外力为零解析:物体对水平面的压力与物体的重力是不同性质的力,A 错误;拉力F 和水平面对物体的摩擦力是一对平衡力,B 错误;物体受到两对平衡力的作用,C 错误.答案:D2.(2013·山东济南模拟)如图所示,物体A 在竖直向上的拉力F 的作用下能静止在斜面上,关于A 受力的个数,下列说法中正确的是( )A .A 一定受两个力作用B .A 一定受四个力作用C .A 可能受三个力作用D .A 受两个力或者四个力作用解析:当F 等于A 的重力mg 时,物体A 仅受这两个力;当F 小于A 的重力mg 时,还受斜面的支持力和静摩擦力作用,物体A 受四个力.答案:D3.如图所示,一个质量为m 的小物体静止在固定的、半径为R 的半圆形槽内,距最低点高为R2处,则它受到的摩擦力大小为( )A.12mgB.32mgC.⎝ ⎛⎭⎪⎫1-32mg D.22mg 解析: 物体的受力情况如图所示,由平衡条件可知:F f =mg cos 30°=32mg ,所以B 正确. 答案: B4.如图所示,一斜面体静止在粗糙的水平地面上,一物体恰能在斜面体上沿斜面匀速下滑,可以证明此时斜面体不受地面的摩擦力作用.若用平行于斜面的作用力F 向下推此物体,使物体加速下滑,斜面体仍然和地面保持相对静止,则斜面体受地面的摩擦力( )A .大小为零B .方向水平向右C .方向水平向左D .无法判断大小和方向解析:加推力前后,物体对斜面的压力和滑动摩擦力大小均未发生变化,故斜面体受地面的摩擦力与不加推力前相同.即地面对斜面体的摩擦力为零.答案:A5.(2013·北京东城区模拟)如图所示,质量为m 的小球置于倾角为30°的光滑斜面上,劲度系数为k 的轻质弹簧一端系在小球上,另一端固定在墙上的P 点,小球静止时,弹簧与竖直方向的夹角为30°,则弹簧的伸长量为( )A.mg kB.3mg 2kC.3mg 3k D.3mgk解析:以小球为研究对象受力分析可知,小球静止,因此有F T cos 30°=mg sin 30°,可得弹簧弹力F T =33mg ,由胡克定律可知F T=kx,因此弹簧的伸长量x=3mg3k,C选项正确.答案: C共点力作用下物体的平衡(2012·山东卷)如图所示,两相同轻质硬杆OO 1、OO 2可绕其两端垂直纸面的水平轴O 、O 1、O 2转动,在O 点悬挂一重物M ,将两相同木块m 紧压在竖直挡板上,此时整个系统保持静止.F f 表示木块与挡板间摩擦力的大小,F N 表示木块与挡板间正压力的大小.若挡板间的距离稍许增大后,系统仍静止且O 1、O 2始终等高,则( )A .F f 变小B .F f 不变C .F N 变小D .F N 变大解析: 选重物M 及两个木块m 组成的系统为研究对象,系统受力情况如图1所示,根据平衡条件有2F f =(M +2m )g ,即F f =M +2m g2,与两挡板间距离无关,故挡板间距离稍许增大后,F f 不变,所以选项A 错误,选项B正确;如图2所示,将绳的张力F 沿OO 1、OO 2两个方向分解为F 1、F 2,则F 1=F 2=F2cos θ,当挡板间距离稍许增大后,F 不变,θ变大,cos θ 变小,故F 1变大;选左边木块m 为研究对象,其受力情况如图3所示,根据平衡条件得F N =F 1sin θ,当两挡板间距离稍许增大后,F 1变大,θ变大,sin θ变大,因此F N 变大,故选项C 错误,选项D 正确.答案: BD1.整体法和隔离法的选用技巧当物理情境中涉及物体较多时,就要考虑采用整体法和隔离法.(1)整体法⎩⎪⎨⎪⎧研究外力对物体系统的作用各物体运动状态相同同时满足上述两个条件即可采用整体法.(2)隔离法⎩⎪⎨⎪⎧分析系统内各物体、各部分间的相互作用各物体的运动状态不同必须将物体从系统中隔离出来,单独地进行受力分析,列出方程. (3)整体法和隔离法的交替运用对于一些复杂问题,比如连接体问题,通常需要多次选用研究对象,这样整体法和隔离法要交替使用. 2.共点力作用下物体平衡的一般解题思路1-1:将某均匀的长方体锯成如图所示的A、B两块后,在水平桌面上并排放在一起,现用水平力F垂直于B的左边推B,使A、B整体仍保持矩形沿力F的方向匀速运动,则( ) A.物体A在水平方向上受三个力的作用,且合力为零B.物体A在水平方向上受两个力的作用,且合力为零C.B对A的作用力方向与力F的方向相同D.B对A的压力等于桌面对A的摩擦力解析:对A、B整体分析知,它们均受到桌面的滑动摩擦力,因做匀速运动,故A还应受到来自B的弹力和静摩擦力作用,它们与来自桌面的滑动摩擦力平衡,故A项正确;B对A的作用力为弹力和静摩擦力的合力,方向与滑动摩擦力方向相反,C项正确.答案:AC动态平衡问题的分析动态平衡:通过控制某些物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态,在问题的描述中常用“缓慢”等语言叙述.(2012·新课标全国卷)如图,一小球放置在木板与竖直墙面之间.设墙面对球的压力大小为F N1,球对木板的压力大小为F N2.以木板与墙连接点所形成的水平直线为轴,将木板从图示位置开始缓慢地转到水平位置.不计摩擦,在此过程中( )A.F N1始终减小,F N2始终增大B.F N1始终减小,F N2始终减小C.F N1先增大后减小,F N2始终减小D.F N1先增大后减小,F N2先减小后增大解析:方法一(解析法)如图所示,由平衡条件得:F N1=mg tanθF N2=mg sinθ随θ逐渐增大到90°,tan θ、sin θ都增大,F N1、F N2都逐渐减小,所以选项B正确.方法二(图解法)对球受力分析如图所示,球受3个力,分别为重力G、墙对球的弹力F N1和板对球的弹力F N2.当板BC逐渐放至水平的过程中,球始终处于平衡状态,即F N1与F N2的合力F始终竖直向上,大小等于球的重力G,如图所示,由图可知F N1的方向不变,大小逐渐减小,F N2的方向发生变化,大小也逐渐减小,故选项B正确.答案:B解决动态平衡问题的常用方法方法步骤解析法①选某一状态对物体进行受力分析②将物体受的力按实际效果分解或正交分解③列平衡方程求出未知量与已知量的关系表达式④根据已知量的变化情况来确定未知量的变化情况图解法①选某一状态对物体进行受力分析②根据平衡条件画出平行四边形③根据已知量的变化情况,画出平行四边形的边角变化④确定未知量大小、方向的变化2-1:在固定于地面的斜面上垂直安放了一个挡板,截面为14圆的柱状物体甲放在斜面上,半径与甲相等的光滑圆球乙被夹在甲与挡板之间,乙没有与斜面接触而处于静止状态,如图所示.现在从球心处对甲施加一平行于斜面向下的力F使甲沿斜面方向缓慢地移动,直至甲与挡板接触为止.设乙对挡板的压力为F1,甲对斜面的压力为F2,在此过程中( )A.F1缓慢增大,F2缓慢增大B.F1缓慢增大,F2缓慢减小C.F1缓慢减小,F2缓慢增大D.F1缓慢减小,F2保持不变解析:对乙受力分析如图所示,从图示可以看出,随着甲沿斜面方向缓慢地移动,挡板对乙的压力F′1逐渐减小,因此乙对挡板的压力F1也缓慢减小;对甲、乙整体研究,甲对斜面的压力F2始终等于两者重力沿垂直斜面方向的分力,因此大小不变,D正确.答案: D平衡中的临界、极值问题1.临界问题:当某物理量变化时,会引起其他几个物理量的变化,从而使物体所处的平衡状态“恰好出现”或“恰好不出现”,在问题的描述中常用“刚好”、“刚能”、“恰好”等语言.2.常见的临界状态(1)两接触物体脱离与不脱离的临界条件是相互作用力为0(主要体现为两物体间的弹力为0);(2)绳子断与不断的临界条件为作用力达到最大值;(3)存在摩擦力作用的两物体间发生相对滑动或相对静止的临界条件为静摩擦力达到最大.3.极值问题:平衡物体的极值,一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题.(2013·芜湖模拟)如图所示,AC 和BC 两轻绳共同悬挂一质量为m 的物体,若保持AC 绳的方向不变,AC 绳与竖直方向的夹角为60°,改变BC 绳的方向,试求:(1)物体能达到平衡时,BC 绳与竖直方向之间所夹θ角的取值范围; (2)θ在0~90°的范围内,求BC 绳上拉力的最大值和最小值.解析: (1)改变BC 绳的方向时,AC 绳的拉力F TA 方向不变,两绳拉力的合力F 与物体的重力平衡,重力大小和方向保持不变,如图所示,经分析可知,θ最小为0°,此时F TA =0;且θ必须小于120°,否则两绳的合力不可能竖直向上.所以θ角的取值范围是0°θ<120°.(2)θ在0~90°的范围内,由图知,当θ=90°时,F TB 最大,F max =mg tan 60°=3mg .当两绳垂直时,即θ=30°时,F TB 最小,F min =mg sin 60°=32mg . 答案:(1)0°≤θ<120° (2)3mg32mg (1)解决极值问题和临界问题的方法①图解法:根据物体的平衡条件,作出力的矢量图,通过对物理过程的分析,利用平行四边形定则进行动态分析,确定最大值与最小值.②数学解法:通过对问题的分析,依据物体的平衡条件写出物理量之间的函数关系(或画出函数图象),用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值).(2)求解平衡中的临界问题的关键首先要正确受力分析和变化过程分析――→找出平衡的临界点和极值点3-1:如图所示,三根长度均为l 的轻绳分别连接于C 、D 两点,A 、B 两端被悬挂在水平天花板上,相距2l .现在C 点上悬挂一质量为m 的重物,为使CD 绳保持水平,在D 点上可施加力的最小值为( )A .mg B.33mg C.12mg D.14mg 解析:如图所示,对C 点进行受力分析,由平衡条件可知,绳CD 对C 点的拉力F CD =mg tan 30°,对D 点进行受力分析,绳CD 对D 点的拉力F 2=F CD =mg tan 30°,F 1方向一定,则当F 3垂直于绳BD 时,F 3最小,由几何关系可知,F 3=F CD sin 60°=12mg .答案: C处理共点力平衡问题的常用方法方法内容分解法物体受到几个力的作用,将某一个力按力的效果进行分解,则其分力和其他力在所分解的方向上满足平衡条件合成法 物体受几个力的作用,通过合成的方法将它们简化成两个力,这两个力满足二力平衡条件正交分解法 将处于平衡状态的物体所受的力,分解为相互正交的两组力,每一组力都满足二力平衡条件力的封闭三角形法若三个力的矢量箭头首尾相接恰好构成三角形,则这三个力的合力必为零,利用三角形定则,根据正弦定理、余弦定理或相似三角形等数学知识可求解未知力(2011·海南高考)如图,墙上有两个钉子a 和b ,它们的连线与水平方向的夹角为45°,两者的高度差为l .一条不可伸长的轻质细绳一端固定于a 点,另一端跨过光滑钉子b 悬挂一质量为m 1的重物.在绳上距a 端l 2的c 点有一固定绳圈.若绳圈上悬挂质量为m 2的钩码,平衡后绳的ac 段正好水平,则重物和钩码的质量比m 1m 2为( )A. 5 B .2 C.52D. 2 解析: 方法一:力的效果分解法 钩码的拉力F 等于钩码重力m 2g .将F 沿ac 和bc 方向分解,两个分力分别为F a 、F b ,如图甲所示,其中F b =m 1g ,由几何关系可得:cos θ=F aF b=m 2gm 1g,又有cos θ=l l 2+l 22,解得:m 1m 2=52,故C 正确. 方法二:正交分解法绳圈受到三个力作用F a 、F b 、F ,如图乙所示.将F b 沿水平方向和竖直方向正交分解,列方程得:m 1g cos θ=m 2g ,由几何关系得cos θ=l l 2+l 22,解得:m 1m 2=52,故C 正确. 方法三:力的合成法绳圈受到三个力作用F a 、F b 、F ,如图丙所示,其中F a 、F b 的合力与F 等大反向,即F 合=F =m 2g ,则:cos θ=F F b =m 2gm 1g,又有cos θ=l l 2+l 22,解得:m 1m 2=52,故C 正确.1.如图所示,一木块在垂直于倾斜天花板平面方向的推力F 作用下,沿倾斜天花板匀速下滑,则下列判断正确的是( )A .木块一定受到4个力的作用B .木块可能受到2个力的作用C .木块与天花板之间的压力可能为零D .逐渐增大推力F ,木块仍匀速运动解析:木块匀速下滑,则木块受重力、弹力、摩擦力和F 四个力作用,A 项正确;木块与天花板之间一定有压力,C 项错;逐渐增大推力F ,木块与天花板之间的压力增大,木块将减速运动,D 项错.答案: A2.如图所示,AB 为天花板,BC 为竖直墙,用两轻绳OD 、OE 系一质量为m 的小球,使之静止于O 点,现保持小球位置不变,将水平绳OE 的E 端沿BC 上移到B 点的过程中,对两绳上的张力F TD 、F TE 的变化情况判断正确的是( )A .F TD 不断增大B.F TD不断减小C.F TE先增大后减小D.F TE先减小后增大解析:由于小球重力G不变,可知绳OD和OE的拉力的合力不变,而OD绳固定不动,即OD绳的拉力方向不变,OE绳移动时,由图可知F TD不断减小,F TE先减小后增大,故选B、D.答案: BD3.如图所示,一物块置于水平地面上.当用与水平方向成60°角的力F1拉物块时,物块做匀速直线运动;当改用与水平方向成30°角的力F2推物块时,物块仍做匀速直线运动.关于这种情景,下列讨论正确的是( ) A.这种情况不可能发生B.若F1和F2的大小相等,这种情况不可能发生C.若F1和F2的大小相等,这种情况也可能发生D.若F1和F2的大小相等,物块与地面间的动摩擦因数为定值解析:物块受重力G=mg、支持力F N、摩擦力F f、已知力F的共同作用处于平衡状态,由平衡方程可得F1cos 60°=μ(mg-F1sin 60°),类似地,F2cos 30°=μ(mg+F2sin 30°),若F1=F2,可解得:μ=2-3,说明在动摩擦因数为特定值时题中所述情景可以发生,故C、D正确.答案: CD4.(2012·浙江卷)如图所示,与水平面夹角为30°的固定斜面上有一质量m=1.0 kg的物体.细绳的一端与物体相连,另一端经摩擦不计的定滑轮与固定的弹簧秤相连.物体静止在斜面上,弹簧秤的示数为4.9 N.关于物体受力的判断(取g=9.8 ms2),下列说法正确的是( )A.斜面对物体的摩擦力大小为零B.斜面对物体的摩擦力大小为4.9 N,方向沿斜面向上C.斜面对物体的支持力大小为4.9 3 N,方向竖直向上D.斜面对物体的支持力大小为4.9 N,方向垂直斜面向上解析:选斜面上的物体为研究对象,物体受重力mg,支持力F N和绳子拉力F,因为F=4.9 N,且mg sin 30°=4.9 N,则F=mg sin 30°,所以斜面对物体的摩擦力为零,选项A正确,选项B错误;斜面对物体的支持力F N =mg cos 30°=4.9 3 N,方向垂直斜面向上,选项C、D错误.答案:A5.(2013·山东德州一模)如图所示,将两个相同的木块a、b置于固定在水平面上的粗糙斜面上,a、b中间用一轻弹簧连接,b的右端用细绳与固定在斜面上的挡板相连.开始时a、b均静止,弹簧处于压缩状态,细绳上有拉力,下列说法正确的是( )A.a所受的摩擦力一定不为零B.b所受的摩擦力一定不为零C.细绳剪断瞬间,a所受摩擦力不变D.细绳剪断瞬间,b所受摩擦力可能为零解析:弹簧处于压缩状态,由平衡条件可知,木块a一定受摩擦力的作用,且方向沿斜面向上,选项A对;木块b所受的摩擦力可能为零,也可能沿斜面向下或向上,选项B错;细绳剪断瞬间弹簧弹力不变,故a所受摩擦力不变,选项C对;设斜面倾角为θ,若弹簧弹力F弹=m b g sin θ,则细绳剪断瞬间b所受摩擦力可能为零,选项D 对.答案:ACD。
第3讲 共点力作用下物体的平衡一、共点力几个力都作用在物体的同一点上,或者虽不作用在同一点上,但它们的延长线交于一点,则这几个力称为共点力.二、共点力的平衡1.平衡状态:物体保持静止或匀速直线运动状态. 2.共点力的平衡条件:F合=0或者⎩⎪⎨⎪⎧F x =0.F y =0.3.平衡条件的推论(1)二力平衡如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必定大小相等,方向相反,作用在一条直线上.(2)三力平衡如果物体在三个互不平行的共点力的作用下处于平衡状态,其中任意两个力的合力一定与第三个力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上.(3)多力平衡如果物体受多个力作用处于平衡状态,其中任何一个力与其余力的合力大小相等、方向相反、作用在一条直线上.1.如图所示,放在水平面上的物体受到一个水平向右的拉力F 作用而处于静止状态,下列说法中正确的是( ) A .物体对水平面的压力就是物体的重力B .拉力F 和水平面对物体的摩擦力是一对作用力和反作用力C .物体受到四对平衡力的作用D .物体受到的合外力为零解析:物体对水平面的压力与物体的重力是不同性质的力,A 错误;拉力F 和水平面对物体的摩擦力是一对平衡力,B 错误;物体受到两对平衡力的作用,C 错误.答案:D2.(2013·山东济南模拟)如图所示,物体A 在竖直向上的拉力F 的作用下能静止在斜面上,关于A 受力的个数,下列说法中正确的是( )A .A 一定受两个力作用B .A 一定受四个力作用C .A 可能受三个力作用D .A 受两个力或者四个力作用解析:当F 等于A 的重力mg 时,物体A 仅受这两个力;当F 小于A 的重力mg 时,还受斜面的支持力和静摩擦力作用,物体A 受四个力.答案:D 3.如图所示,一个质量为m 的小物体静止在固定的、半径为R 的半圆形槽内,距最低点高为R2处,则它受到的摩擦力大小为( )A.12mgB.32mgC.⎝⎛⎭⎪⎫1-32mg D.22mg 解析: 物体的受力情况如图所示,由平衡条件可知:F f =mg cos 30°=32mg ,所以B 正确. 答案: B4.如图所示,一斜面体静止在粗糙的水平地面上,一物体恰能在斜面体上沿斜面匀速下滑,可以证明此时斜面体不受地面的摩擦力作用.若用平行于斜面的作用力F 向下推此物体,使物体加速下滑,斜面体仍然和地面保持相对静止,则斜面体受地面的摩擦力( )A .大小为零B .方向水平向右C .方向水平向左D .无法判断大小和方向解析:加推力前后,物体对斜面的压力和滑动摩擦力大小均未发生变化,故斜面体受地面的摩擦力与不加推力前相同.即地面对斜面体的摩擦力为零.答案:A5.(2013·北京东城区模拟)如图所示,质量为m 的小球置于倾角为30°的光滑斜面上,劲度系数为k 的轻质弹簧一端系在小球上,另一端固定在墙上的P 点,小球静止时,弹簧与竖直方向的夹角为30°,则弹簧的伸长量为( )A.mg kB.3mg 2kC.3mg 3kD.3mgk解析:以小球为研究对象受力分析可知,小球静止,因此有F T cos 30°=mg sin 30°,可得弹簧弹力F T =33mg ,由胡克定律可知F T =kx ,因此弹簧的伸长量x =3mg3k ,C 选项正确. 答案: C共点力作用下物体的平衡(2012·山东卷)如图所示,两相同轻质硬杆OO 1、OO 2可绕其两端垂直纸面的水平轴O 、O 1、O 2转动,在O 点悬挂一重物M ,将两相同木块m 紧压在竖直挡板上,此时整个系统保持静止.F f 表示木块与挡板间摩擦力的大小,FN 表示木块与挡板间正压力的大小.若挡板间的距离稍许增大后,系统仍静止且O 1、O 2始终等高,则( )A .F f 变小B .F f 不变C .F N 变小D .F N 变大解析: 选重物M 及两个木块m 组成的系统为研究对象,系统受力情况如图1所示,根据平衡条件有2F f =(M +2m )g ,即F f =M +2m g2,与两挡板间距离无关,故挡板间距离稍许增大后,F f 不变,所以选项A 错误,选项B 正确;如图2所示,将绳的张力F 沿OO 1、OO 2两个方向分解为F 1、F 2,则F 1=F 2=F2cos θ,当挡板间距离稍许增大后,F 不变,θ变大,cos θ 变小,故F 1变大;选左边木块m 为研究对象,其受力情况如图3所示,根据平衡条件得F N =F 1sin θ,当两挡板间距离稍许增大后,F 1变大,θ变大,sin θ变大,因此F N 变大,故选项C 错误,选项D 正确.答案: BD1.整体法和隔离法的选用技巧当物理情境中涉及物体较多时,就要考虑采用整体法和隔离法.(1)整体法⎩⎪⎨⎪⎧研究外力对物体系统的作用各物体运动状态相同同时满足上述两个条件即可采用整体法.(2)隔离法⎩⎪⎨⎪⎧分析系统内各物体、各部分间的相互作用各物体的运动状态不同必须将物体从系统中隔离出来,单独地进行受力分析,列出方程. (3)整体法和隔离法的交替运用对于一些复杂问题,比如连接体问题,通常需要多次选用研究对象,这样整体法和隔离法要交替使用. 2.共点力作用下物体平衡的一般解题思路1-1:将某均匀的长方体锯成如图所示的A 、B 两块后,在水平桌面上并排放在一起,现用水平力F垂直于B 的左边推B ,使A 、B 整体仍保持矩形沿力F 的方向匀速运动,则( )A .物体A 在水平方向上受三个力的作用,且合力为零B .物体A 在水平方向上受两个力的作用,且合力为零C .B 对A 的作用力方向与力F 的方向相同D .B 对A 的压力等于桌面对A 的摩擦力解析:对A 、B 整体分析知,它们均受到桌面的滑动摩擦力,因做匀速运动,故A 还应受到来自B 的弹力和静摩擦力作用,它们与来自桌面的滑动摩擦力平衡,故A 项正确;B 对A 的作用力为弹力和静摩擦力的合力,方向与滑动摩擦力方向相反,C 项正确.答案:AC动态平衡问题的分析动态平衡:通过控制某些物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态,在问题的描述中常用“缓慢”等语言叙述.(2012·新课标全国卷)如图,一小球放置在木板与竖直墙面之间.设墙面对球的压力大小为F N 1,球对木板的压力大小为F N 2.以木板与墙连接点所形成的水平直线为轴,将木板从图示位置开始缓慢地转到水平位置.不计摩擦,在此过程中( )A .F N 1始终减小,F N 2始终增大B .F N 1始终减小,F N 2始终减小C .F N 1先增大后减小,F N 2始终减小D .F N 1先增大后减小,F N 2先减小后增大解析:方法一(解析法)如图所示,由平衡条件得:F N 1=mgtan θ F N 2=mg sin θ随θ逐渐增大到90°,tan θ、sin θ都增大,F N 1、F N 2都逐渐减小,所以选项B 正确.方法二(图解法)对球受力分析如图所示,球受3个力,分别为重力G 、墙对球的弹力F N 1和板对球的弹力F N 2.当板BC 逐渐放至水平的过程中,球始终处于平衡状态,即F N 1与F N 2的合力F 始终竖直向上,大小等于球的重力G ,如图所示,由图可知F N 1的方向不变,大小逐渐减小,F N 2的方向发生变化,大小也逐渐减小,故选项B 正确.答案:B2-1:在固定于地面的斜面上垂直安放了一个挡板,截面为14圆的柱状物体甲放在斜面上,半径与甲相等的光滑圆球乙被夹在甲与挡板之间,乙没有与斜面接触而处于静止状态,如图所示.现在从球心处对甲施加一平行于斜面向下的力F 使甲沿斜面方向缓慢地移动,直至甲与挡板接触为止.设乙对挡板的压力为F 1,甲对斜面的压力为F 2,在此过程中( )A .F 1缓慢增大,F 2缓慢增大B .F 1缓慢增大,F 2缓慢减小C .F 1缓慢减小,F 2缓慢增大D .F 1缓慢减小,F 2保持不变解析: 对乙受力分析如图所示,从图示可以看出,随着甲沿斜面方向缓慢地移动,挡板对乙的压力F ′1逐渐减小,因此乙对挡板的压力F 1也缓慢减小;对甲、乙整体研究,甲对斜面的压力F 2始终等于两者重力沿垂直斜面方向的分力,因此大小不变,D 正确.答案: D平衡中的临界、极值问题1.临界问题:当某物理量变化时,会引起其他几个物理量的变化,从而使物体所处的平衡状态“恰好出现”或“恰好不出现”,在问题的描述中常用“刚好”、“刚能”、“恰好”等语言.2.常见的临界状态(1)两接触物体脱离与不脱离的临界条件是相互作用力为0(主要体现为两物体间的弹力为0);(2)绳子断与不断的临界条件为作用力达到最大值;(3)存在摩擦力作用的两物体间发生相对滑动或相对静止的临界条件为静摩擦力达到最大. 3.极值问题:平衡物体的极值,一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题.(2013·芜湖模拟)如图所示,AC 和BC 两轻绳共同悬挂一质量为m 的物体,若保持AC 绳的方向不变,AC 绳与竖直方向的夹角为60°,改变BC 绳的方向,试求:(1)物体能达到平衡时,BC 绳与竖直方向之间所夹θ角的取值范围;(2)θ在0~90°的范围内,求BC 绳上拉力的最大值和最小值.解析: (1)改变BC 绳的方向时,AC 绳的拉力F TA 方向不变,两绳拉力的合力F 与物体的重力平衡,重力大小和方向保持不变,如图所示,经分析可知,θ最小为0°,此时F TA =0;且θ必须小于120°,否则两绳的合力不可能竖直向上.所以θ角的取值范围是θ<120°.(2)θ在0~90°的范围内,由图知,当θ=90°时,F TB 最大,F max =mg tan 60°=3mg .当两绳垂直时,即θ=30°时,F TB 最小,F min =mg sin 60°=32mg .答案:(1)0°≤θ<120° (2)3mg32mg(1)解决极值问题和临界问题的方法①图解法:根据物体的平衡条件,作出力的矢量图,通过对物理过程的分析,利用平行四边形定则进行动态分析,确定最大值与最小值.②数学解法:通过对问题的分析,依据物体的平衡条件写出物理量之间的函数关系(或画出函数图象),用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值).(2)求解平衡中的临界问题的关键首先要正确受力分析和变化过程分析――→找出平衡的临界点和极值点3-1:如图所示,三根长度均为l 的轻绳分别连接于C 、D 两点,A 、B 两端被悬挂在水平天花板上,相距2l .现在C 点上悬挂一质量为m 的重物,为使CD 绳保持水平,在D 点上可施加力的最小值为( )A .mg B.33mgC.12mgD.14mg 解析:如图所示,对C 点进行受力分析,由平衡条件可知,绳CD 对C 点的拉力F CD =mg tan 30°,对D 点进行受力分析,绳CD 对D 点的拉力F 2=F CD =mg tan 30°,F 1方向一定,则当F 3垂直于绳BD 时,F 3最小,由几何关系可知,F 3=F CD sin 60°=12mg . 答案: C的作用,通过合成的方法将它们简化成两个力,这两个力满足二力平衡条件(2011·海南高考)如图,墙上有两个钉子a 和b ,它们的连线与水平方向的夹角为45°,两者的高度差为l .一条不可伸长的轻质细绳一端固定于a 点,另一端跨过光滑钉子b悬挂一质量为m 1的重物.在绳上距a 端l /2的c 点有一固定绳圈.若绳圈上悬挂质量为m 2的钩码,平衡后绳的ac 段正好水平,则重物和钩码的质量比m 1m 2为( )A. 5 B .2C.52 D. 2解析: 方法一:力的效果分解法 钩码的拉力F 等于钩码重力m 2g .将F 沿ac 和bc 方向分解,两个分力分别为F a 、F b ,如图甲所示,其中F b =m 1g ,由几何关系可得:cos θ=F a F b =m 2g m 1g ,又有cos θ=l l 2+l 22,解得:m 1m 2=52,故C 正确.方法二:正交分解法绳圈受到三个力作用F a 、F b 、F ,如图乙所示.将F b 沿水平方向和竖直方向正交分解,列方程得:m 1g cos θ=m 2g ,由几何关系得cos θ=ll 2+l 22,解得:m 1m 2=52,故C 正确. 方法三:力的合成法绳圈受到三个力作用F a 、F b 、F ,如图丙所示,其中F a 、F b 的合力与F 等大反向,即F 合=F =m 2g ,则:cos θ=F F b =m 2gm 1g,又有cos θ=l l 2+l 22,解得:m 1m 2=52,故C 正确.1.如图所示,一木块在垂直于倾斜天花板平面方向的推力F 作用下,沿倾斜天花板匀速下滑,则下列判断正确的是( )A .木块一定受到4个力的作用B .木块可能受到2个力的作用C .木块与天花板之间的压力可能为零D .逐渐增大推力F ,木块仍匀速运动解析:木块匀速下滑,则木块受重力、弹力、摩擦力和F 四个力作用,A 项正确;木块与天花板之间一定有压力,C 项错;逐渐增大推力F ,木块与天花板之间的压力增大,木块将减速运动,D 项错.答案: A2.如图所示,AB 为天花板,BC 为竖直墙,用两轻绳OD 、OE 系一质量为m 的小球,使之静止于O 点,现保持小球位置不变,将水平绳OE 的E 端沿BC 上移到B 点的过程中,对两绳上的张力F TD 、F TE 的变化情况判断正确的是( )A .F TD 不断增大B .F TD 不断减小C .F TE 先增大后减小D .F TE 先减小后增大解析:由于小球重力G 不变,可知绳OD 和OE 的拉力的合力不变,而OD 绳固定不动,即OD 绳的拉力方向不变,OE 绳移动时,由图可知F TD 不断减小,F TE 先减小后增大,故选B 、D .答案: BD3.如图所示,一物块置于水平地面上.当用与水平方向成60°角的力F 1拉物块时,物块做匀速直线运动;当改用与水平方向成30°角的力F 2推物块时,物块仍做匀速直线运动.关于这种情景,下列讨论正确的是( )A .这种情况不可能发生B .若F 1和F 2的大小相等,这种情况不可能发生C .若F 1和F 2的大小相等,这种情况也可能发生D .若F 1和F 2的大小相等,物块与地面间的动摩擦因数为定值解析:物块受重力G =mg 、支持力F N 、摩擦力F f 、已知力F 的共同作用处于平衡状态,由平衡方程可得F 1cos 60°=μ(mg -F 1sin60°),类似地,F2cos 30°=μ(mg+F2sin 30°),若F1=F2,可解得:μ=2-3,说明在动摩擦因数为特定值时题中所述情景可以发生,故C、D正确.答案: CD4.(2012·浙江卷)如图所示,与水平面夹角为30°的固定斜面上有一质量m=1.0 kg的物体.细绳的一端与物体相连,另一端经摩擦不计的定滑轮与固定的弹簧秤相连.物体静止在斜面上,弹簧秤的示数为4.9 N.关于物体受力的判断(取g=9.8 m/s2),下列说法正确的是( )A.斜面对物体的摩擦力大小为零B.斜面对物体的摩擦力大小为4.9 N,方向沿斜面向上C.斜面对物体的支持力大小为4.9 3 N,方向竖直向上D.斜面对物体的支持力大小为4.9 N,方向垂直斜面向上解析:选斜面上的物体为研究对象,物体受重力mg,支持力F N和绳子拉力F,因为F=4.9 N,且mg sin 30°=4.9 N,则F=mg sin30°,所以斜面对物体的摩擦力为零,选项A正确,选项B错误;斜面对物体的支持力F N=mg cos 30°=4.9 3 N,方向垂直斜面向上,选项C、D错误.答案:A5.(2013·山东德州一模)如图所示,将两个相同的木块a、b置于固定在水平面上的粗糙斜面上,a、b中间用一轻弹簧连接,b的右端用细绳与固定在斜面上的挡板相连.开始时a、b均静止,弹簧处于压缩状态,细绳上有拉力,下列说法正确的是( )A.a所受的摩擦力一定不为零B.b所受的摩擦力一定不为零C.细绳剪断瞬间,a所受摩擦力不变D.细绳剪断瞬间,b所受摩擦力可能为零解析:弹簧处于压缩状态,由平衡条件可知,木块a一定受摩擦力的作用,且方向沿斜面向上,选项A对;木块b所受的摩擦力可能为零,也可能沿斜面向下或向上,选项B错;细绳剪断瞬间弹簧弹力不变,故a所受摩擦力不变,选项C对;设斜面倾角为θ,若弹簧弹力F弹=m b g sin θ,则细绳剪断瞬间b所受摩擦力可能为零,选项D对.答案:ACD。