初中物理竞赛自招第2讲 力和物体的平衡
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第一讲:运动的基本概念、匀变速直线运动【知识要点】平均速度:ts t x x v =-=0 瞬时速度:t sv t ∆=→∆0lim 平均加速度:tv a ∆∆= 瞬时加速度:t va t ∆∆=→∆0lim速度公式:at v v t +=0 位移公式:2021at t v s +=推论公式:as v v t 222+= 平均速度:20tv v t s v +== 【例题选讲】例1、如图所示,相距L=20m 的两个小球A 、B 沿同一直线同时向右运动,A 球以速度v0=2.0m/s 匀速运动,B 球以加速度a=-2.5m/s 2减速运动,B 球初速度多大时,恰能赶上A 球。
例2、一点有物体甲,在甲的正上方距地面H 高处有物体乙,在从静止开始释放乙的同时,给甲一个初速度竖直上抛,问(1)为使甲在上升阶段与乙相遇,初速度v 0为多大?(2)为使甲在下落阶段与乙相遇,初速度v 0又为多大?例3:一质点沿直线运动,其速度随时间变化的关系图像恰好是与坐标轴相切的14圆弧,如图所示,则质点在这20S 内的位移x 为多少?质点在10s 的加速度a例4:已知一质点做变加速直线运动,初速度为v 0,其加速度随位移线性减小的关系即加速过程中加速度与位移之间的关系满足条件a=a 0-ks ,式中a 为任一位置处的加速度,s 为位移,a 0、k 为常量,求当位移为s 0时质点的瞬时速度。
例5:将一小球以30m/s 的初速度竖直上抛,以后每隔1s 抛出一小球(空气阻力可以忽略不计),空中各球不会相碰,问: (1) 最多能有几个小球同时在空中?(2) 设在t=0时第一个小球被抛出,那么它应该在哪些时刻和以后抛出的小球在空中相遇而过?(取g=10m/s 2)t (s )【练习】1、 在一条笔直的公路上依次设置三盏交通信号灯L 1、L 2和L 3,L 2与L 1相距80m ,L 3与L 1相距120m 。
每盏信号灯显示绿色的时间间隔都是20s ,显示红色的时间间隔都是40s 。
第二节 力的合成与分解一、力的合成力的合成的本质就在于保证作用效果相同的前提下,用一个力等效代替几个力的共同作用,如果这一个力的作用效果与几个力共同的作用效果相同,那么这个力就是那几个力的合力。
合力与分力是一种等效替代的关系。
1.平行四边形定则当同一直线上的两个力同向时,合力等于这两力之和,即12 F F F =+合;当同一直线上的两个力方向相反时,合力等于较大力与较小力之差,即12 F F F =-合.有两个力的方向不在同一直线上,则不能简单地用加、减来计算合力的大小。
实验证明,互成夹角的两个力与合力的关系符合“平行四边形定则”,内容如下:以两分力为邻边作平行四边形,两分力所夹的对角线即表示合力的大小与方向,如图4。
46所示.利用平行四边形定则结合数学知识可以方便地求出合力的大小和方向。
设力1F ,2F 的夹角为α,则它们的合力F 合的大小可由余弦定理求得: ()221212 2cos 180F F F F F α=+-︒-合根据()cos 180cos αα︒-=-,因此221212 2cos FF F F F α=++合。
(1)两个力的合成 对子一些特殊情况下的合力计算,可以根据三角形知识来求解合力。
下面列举出两个等大的力F ,夹角取下列情况时合力的大小,如图4.47所示,请同学们利用平行四边形定则,结合数学知识来试着验证,以掌握合力的计算方法。
从上述计算合力的过程中,还可以得出以下几个结论:①合力不一定比分力大。
实际上合力可以大于、等于或小于分力的大小。
②合力大小的变化范围是211 2F F F F F -≤≤+合。
③当两个分力大小不变时,两分力夹角越大,合力越小。
上述几种特殊情况下的两个力的合力的值,同学们要牢记,在很多情形下都可以直接运用。
例1 如图4.48所示,小娟、小明两人共提一桶水匀速前行,已知两人手臂上的拉力大小相等且为F ,两人手臂间的夹角为θ,水和水桶所受总重力为G ,则下列说法中正确的是( )。
第二讲力与物体的平衡第一节几种常见的力力是物体与物体之间的相互作用,日常生活中的物体间往往存在着力的作用。
常见的力有重力、弹力和摩擦力。
一、重力重力即地球表面的物体由于地球的吸引而受到的力,地球表面任何物体部受到重力的作用,重力的方向是竖直向下或者表达为垂直于水平面向下,重力的大小与物体质量成正比,可用公式表示为G mg=,其中g为比例系数.通常情况下g取9.8N/kg,粗略计算中可以取10N/kgg=。
但值得注意的是,地球上不同位置的g 的值不尽相同,g的值随着纬度的升高而变大,赤道处的g最小,约为9.780N/kg,两极处的g最大,约为9.832N/kg,因此,同一物体在极地和在赤道所受重力大小是不同的。
物体各个部分都受到重力作用,各部分重力的作用点分散在物体各个部位,物体所受到的总重力可以等效地认为作用在某一点,该点即为物体的重心。
对于质量分布均匀、形状规则的物体,重心的位置在它们的几何中心。
如图4.1所示的C点即为常见均匀几何体的重心。
对于形状不规则、质量分布不均匀的薄板型物体,可以用悬挂法来确定重心的位置.下面介绍计算物体重心位置的方法:1.两个物体的重心如图4.2所示,设两物体的质量分别为1m ,2m ,它们重心之间的距离为L ,这两个物体所受的总重力()12m m g +的等效作用点即为两物体组成的系统的重心。
若以不计质量的轻细杆将1m ,2m 连接,再支起轻杆使其水平平衡,则支点即为物体的等效重心。
设1m ,2m 的重心到系统重心C 的距离分别为1x ,2x ,则12x x L +=,由杠杆平衡条件可得1122m gx m gx =,解得2112m x L m m =+,1212m x L m m =+。
可见,两物体重心的位置必在两物件各自重心的连线上,且两物体的重心距离系统重心的距离与物体质量成反比,即系统重心离质量较大的物体较近。
2.几个物体的重心现在我们讨论由处于同一平面内的几个物体纽成的系统的重心。
成都市物理奥校竞赛辅导资料专题二 物体的平衡一、整体法和隔离法的应用1.如图所示,质量为M 的直角三棱柱A 放在水平地面上,三棱柱的斜面是光滑的,且斜面倾角为θ。
质量为m 的光滑球放在三棱柱和光滑竖直墙壁之间,A 和B 都处于静止状态,求地面对三棱柱支持力和摩擦力各为多少?解:选取A 和B 整体为研究对象,它受到重力(M+m )g,地面支持力N ,墙壁的弹力F 和地面的摩擦力f 的作用(如图甲所示)而处于平衡状态。
根据平衡条件有:N-(M+m)g=0,F=f, 可得 N=(M+m )g再以B 为研究对象,它受到重力mg ,三棱柱对它的支持力N B ,墙壁对它的弹力F 的作用(如图乙所示)。
而处于平衡状态,根据平衡条件有:N B .cos θ=mg, N B .sin θ=F,解得F=mgtan θ. 所以f=F=mgtan θ.2.一个倾角为θ(90°>θ>0°)的光滑斜面固定在竖直的光滑墙壁上, 一铁球在一水平推力F作用下静止于墙壁与斜面之间,与斜面间的接触点为A,如图46所示,已知球的半径为R,推力F的作用线通过球心,则下列判断正确的是 A.墙对球的压力一定小于推力F B.墙对球的压力一定等于推力FC.斜面对球的支持力一定大于球的重力D.斜面对球的支持力一定大于墙对球的压力 答案:A C二、三力汇交原理3.重G 的均匀绳两端悬于水平天花板上的A 、B 两点。
静止时绳两端的切线方向与天花板成α角。
求绳的A 端所受拉力F 1和绳中点C 处的张力F 2。
解:以AC 段绳为研究对象,根据三力汇交原理,虽然AC 所受的三个力分别作用在不同的点(如图中的A 、C 、P 点),但它们必为共点力。
设它们延长线的交点为O ,用平行四边形定则作图可得:ααtan 2,sin 221G F G F ==4.一个质量为m=50千克的均匀圆柱体,放在台阶的旁边,台阶的高度h 是圆柱体半径r 的一半,如图所示(图为其横截面),圆柱体与台阶接触处(图中P 点所示)是粗糙的.现要在图中圆柱体的最上方A 处施一最小的力F,使圆柱体图46刚能开始以P为轴向台阶上滚,求:(1)所加的力的大小.(2)台阶对柱体的作用力的大小.解析:要使柱体刚能绕P轴上滚,即意味着此时地面对柱体的支持力N=0,设台阶对柱体的作用力为f,根据三力汇交原理,重力mg、拉力F与f必交于A点,又因mg是恒力,f方向不变,要在A处施一最小的力,则力F的方向应与f垂直。
第八章第二讲 二力平衡知识要点一、二力平衡物体在受到两个力作用时,如果保持静止状态或匀速直线运动状态,我们就说这两个力彼此平衡 同理,物体在受到几个力作用时,如果保持静止状态或匀速直线运动状态,我们就说这几个力相互平衡。
二、二力平衡的条件通过实验得出,要使受力物体保持静止状态必须满足下列四个条件:①两个力作用在同一个物体上 ②大小相等 ③方向相反 ④作用在同一条直线上如果物体做匀速直线运动,所作用的两个力也应满足以上这些条件二力平衡的条件是:作用在一个物体上的两个力,如果大小相等,方向相反,并且在同一直线上,这两个力就彼此平衡。
判断时四者同时具备缺一不可。
三、二力平衡的条件的应用①判断物体是否受力平衡②根据一个力的大小方向,确定另一个力的大小方向。
经典例题1.如图所示,哪个图中的两个力是平衡的( )2.下列说法中正确的是( )A .物体的运动状态保持不变,它一定没有宏观世界到外力的作用B .物体受到了力,运动状态一定改变C .在平衡力的作用下,物体一定做匀速直线运动D .物体的运动状态发生改变,它一定受到外力的作用5N A 5N 5N B 5N 5N C 5N5ND 5N3.质量相同的物体甲、乙、丙,甲在拉力1F 作用下以2m/s 的速度匀速上升,乙在拉力2F 作用下以1m/s 的速度匀速下降,丙在拉力3F 作用下恰好静止不动。
不计空气阻力,则1F 、2F 、3F 的大小关系是 。
4.一个重500N 的人站在电梯中,求下列情况下电梯底面对人的支持力大小和方向。
(1)人和电梯一起静止不动;(2)人和电梯一起以1.51-⋅s m 的速度匀速上升;(3)人和电梯一起以2.01-⋅s m 的速度匀速下降。
基础过关1.关于平衡力,下列说法正确的是( )A .物体在平衡力作用下一定保持静止状态 B.物体在平衡力作用下一定处于匀速直线运动状态C .相互平衡的两个力一定是性质相同的力 D.平衡力一定是作用在同一物体上的两个力2.物体受两个力的作用,由下面哪种情况可以判断这两个力一定是一对平衡力( )。
初中物理二力平衡教案【篇一:八年级物理下册8.2 二力平衡教案(新人教版)】 8.2二力平衡牛顿第一定律和二力平衡是解决单个物体在不同的力学情境下所遵循的规律问题,应用非常广泛。
不同的物体之间是相互联系、相互影响、相互作用的,对于力,不能脱离受力物体和施力物体而独立存在,讨论和解决问题时必然要涉及施力物体与受力物体间的相互作用及它们之间所遵循的规律,牛顿第三定律揭示的就是这一规律。
教材对于牛顿第三定律的内容没有以定律形式出现。
而是通过司空见惯的实例得到物体之间的作用力和反作用力的概念,再与通过实验总结出的二力平衡进行比较,最后再回到实际应用中去。
教学重点对二力平衡的理解及应用.教学难点作用力、反作用力与平衡力的区别.课时安排1课时三维目标知识与技能1. 理解二力平衡的确切含义,会用它解决有关问题;2. 知道力的作用是相互的,知道作用力和反作用力的概念;3.会区分平衡力与作用力和反作用力。
过程与方法1.观察生活中力的相互作用现象,思考力的相互作用的规律;2.通过实验探究力的相互作用规律;3.通过鼓励学生动手、大胆质疑、勇于探索,可提高学生自信心并养成科学思维习惯。
情感态度与价值观1.经历观察、实验、探究等学习活动,培养尊重客观事实、实事求是的科学态度;2.通过研究性学习,获得成功的喜悦,培养学好物理的信心;3.培养与人合作的团队精神。
课前准备弹簧、弹簧测力计两个、力传感器、钩码、计算机。
教学过程导入新课课件导入吊灯受到几个力的作用?吊灯的运动状态怎样?放在桌面上的书,书的运动状态如何?做匀速直线运动的小汽车受力如何?苹果静止在桌面上,跳伞运动员匀速下落。
问题与思考力可以改变物体的运动状态,为什么吊灯、书、小汽车、苹果和运动员受到力的作用还能保持原来的运动状态?知识要点:1.物体在几个力的作用下处于静止或匀速直线运动状态,我们就说该物体处于平衡状态。
2.处于平衡状态下的物体所受的几个力叫做平衡力。
3.当物体在两个力的作用下处于平衡状态时,我们就说这两个力相互平衡,简称二力平衡。
第二讲力与物体的平衡一【知识梳理】1知识向导1.1力的概念力时物体对物体的相互作用,或者说是物体间的相互作用力的作用效果,力可使物体发生形变,力可改变物体的运动状态1.2力的三个属性(1)力的物质性:力是不能离开物体而单独存在的,有受力物体必然有施力物体。
(2) 力的相互性:力是两个物体间的相互作用,受力物体在受到施力物体的同时,必然会给施力物体一个反作用力。
作用力与反作用力是同时产生、同时消失的,且力的性质也相同。
(3)力的矢量性:任何一个力都是有大小和方向的。
1.3力的三要素及图示力对物体产生的作用效果与力的大小、方向和作用点有关,因此力的大小、方向和作用点就叫力的三要素。
力可用带箭头的比例线段来表示,箭头的指向表示力的方向,比例线段的长短表示力的大小,线段的起点或终点表示力的作用点。
像这样用一根带箭头的线段把力的三要素都表示出来,就叫做力的图示。
1.4力的单位在国际单位制种(SI)中,力的单位是牛,符号为N。
1.5力的测量测量力的工具叫测力计,实验室里常用弹簧秤。
1.6力的分类方法各种力可以用两种不同的方法来分类。
(1)根据力的性质来分类:有重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力等。
(2)根据力的作用效果来分类:有拉力、推力、压力、支持力、动力、阻力等。
1.7惯性、惯性定律一切物体不论是静止的还是运动的,都具有一种维持原有运动状态的性质,物体的这种性质称为惯性。
惯性是物体本身的一种属性。
一切物体在任何情况下都有惯性。
惯性的大小只与物体的质量有关,物体的质量越大,惯性也越大。
惯性定律(牛顿第一定律):一切物体总保持原来的静止状态或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种运动状态为止。
1.8力学中常见的几种力(按性质分类)第一种重力(1)概念:由于地球的吸引而使物体受到的力。
(2)方向:竖直向下(3)大小:物体所受重力的大小与物体的质量成正比,即G=mg(g=9.8N/kg)。
(4)作用点:重力的作用点叫物体的重心,形状规则,质量分布均匀的物体的重心在它的几何重心上。
第二种弹力(1)概念:物体发生弹性形变时,由于要恢复原状而对使它发生形变的物体产生力的作用,这种力叫做弹力。
(2)弹力产生的条件:相互挤压发生弹性形变(3)方向:弹力的方向与使物体发生形变的外力方向相反,并始终与接触面垂直。
(4)大小:弹力的大小跟物体形变的大小有关。
第三种摩擦力(1)概念:当两个物体的接触面间有相对运动或相对运动趋势时,接触面上产生的阻碍物体相对运动的力叫做摩擦力。
(2)方向:摩擦力的方向与物体间相对运动或相对运动趋势方向相反,并与接触面相切。
(3)分类:摩擦力有静摩擦力、滑动摩擦力、滚动摩擦力之分。
①滑动摩擦力:当相互接触的两个物体之间发生相对滑动时所受的力叫做滑动摩擦力。
它的作用是阻μ计算,其中μ为动摩擦系数(μ与物体材料、接触面的光碍物体的相对滑动,其大小可用f=N滑程度有关,与接触面大小、相对速度无关)。
②静摩擦力:两个相对静止的并有弹力作用的物体之间若存在相对运动趋势,接触面上就会产生静摩擦力,其大小随外力的变化而在一定的范围内变化。
③滚动摩擦力:当一个物体在另一个物体表面滚动时受到的阻力叫做滚动摩擦力。
在相同情况下,滚动摩擦远小于滑动摩擦。
④摩擦力不一定是阻力。
1.9合力与分力力的分解与合成一个力单独对物体作用与另外几个力共同作用效果相同,这个力就叫做那几个力的合力,那几个力就叫这一个力的分力。
同一直线上的两个力的合成有以下两种情况:同向合力F=F1+F2反向合力F=︳F1-F2 ︱互成角度的两个力的合成:力的合成与分解遵循的基本法则是平行四边形法则。
正交分解法:把一个力沿相互垂直的两个力方向分解为两个等效分力,是在力学问题中常见的一种分解方法。
共点力:把一组作用线通过同一点的力叫做共点力。
共点力平衡和共点力的平衡条件:物体在一组共点力的作用下处于静止或匀速直线运动状态,可以把这种性质简称为共点力平衡。
物体处于共点力平衡状态,这组共点力的合力必然为零。
2解释拓展二【例题解析】题型一:应用互成角度的力的合成和正交分解来解决共点力的平衡问题应用共点力平衡条件解题的步骤如下:①确定研究对象;②受力分析;③对某些力进行合成或分解的等效转化;④沿确定方向列平衡方程;⑤解方程并检查解的合理性对三力平衡问题常采用合成的方法转化,而对于三力以上的平衡常采用分解的方法转化。
例1: 如图1-2所示,物重G为50N,用F A、F B分别表示OA和OB绳上的拉力,则F A和F B 的合力大小为_______,方向_________.且可知F A________F B(选填“>”、“<”或“=”)。
【解析】选O 点为分析对象,收到OG 的拉力T (等于重力G )、F A 和F B 三个力作用。
由于O 点在三个力作用下处于平衡,因而F A 和F B 的合力应与重力G 等值反向,大小为50N ,方向竖直向上。
已知合力的大小和方向,已知两个力的方向,利用平行四边形法则把F A 和F B 的合力分别沿绳A 、B 方向分解后,明显可见F A <F B 。
这里容易误认为绳子OA 较长,所以F A 较大,其实力的大小与绳子的长度是无关的。
三力平衡也可使用三角形法判断三力大小关系(可参见2.2.4)例2:在日常生活中有时会碰到这种情况:当载重卡车陷于泥坑中,汽车驾驶员按如图2-2所示的方法,用钢索把载重卡车和大树拴紧,在钢索的中央用较小的垂直于 钢索的侧向拉力就可以将载重卡车拉出泥坑,你能否认从力的分解角度对这一做法作出解释?【解析】设侧向力F 作用于钢索O 点。
对O 点作受力分析:O 点受侧向力F 、绳拉力T A 、∑T B 三个共点力作用,O 点缓慢移动的过程可认为处于共点力平衡状态。
根据对F 的实际效果分析,可将F 分解为沿AO 和BO 方向上的两个力F 1和F 2,由共点力平衡条件可得:其中F 沿BO 方向的分力F 2在数值上等于T B ,钢索在B 端对卡车沿BO 方向的拉力F B 和T B 是一对作用力与反作用力,大小相等,即F 2=F B 。
由于AOB ∠是同一根钢索,故F 1=F 2,根据平行四边形定则画出如图2-3所示的受力情况,由于AOB ∠趋近于180 ,故即使F 较小,F 2也非常大,即F B 非常大,故能将卡车拉出泥坑。
例3:如图2-4所示,当绳子的悬点A 缓慢向右移到A '点时,关于绳子AO 和BO 张力的合力的变化,正确的是( )A.数值不变,方向变化B..数值变大、方向不变C.数值不变、方向不变D.数值变小、方向不变【解析】对结点O作受力分析,向右移时,AO和BO的夹角不但变化,而且两绳的拉力也在变,因此不能直接用力的合成来判断。
如图2-4所示,其中T3=mg,是大小和方向都不变的恒力,由平衡条件∑F=0可推知,T1和T2的合力必与T3等大反向,因此T1和T2的合力大小和方向均不变。
故C正确。
【跟踪训练】【训练1】如图2-5所示,一个半径为r,重为G的圆球,被长为r的细绳挂在竖直的光滑墙壁上,绳与墙所成的角度为30,则绳子的拉力T和墙壁的弹力N分别是多少?【答案】,T N == 【训练2】如图2-6所示,重量为150N的物体用两根细绳AO、BO吊挂在天花板下处于平衡状态,两根绳子与竖直方向的夹角为37 、53 。
求两绳的拉力大小【答案】120,90AO BO T N T N ==题型二:受力分析时利用共点力平衡条件判定未知力正确分析物体受力情况是解决力学问题的的前提和关键之一。
对物体进行正确的受力分析步骤如下:(1)选择研究对象:把要研究的物体从相互作用的物体群中隔离出来。
(2)进行受力分析:①已知外力;②重力;③接触力(先考虑是否有弹力,然后分析是否有摩擦力)。
注意事项①物体所受的力都有其施力物体,否则该力不存在;②受力分析时,只考虑根据性质命名的力;③合力与分力是等效的,不能同时考虑;④对于摩擦力,应充分考虑物体与接触面是否有相对运动或相对运动趋势;⑤合理隔离研究对象,整体法、隔离法合理选用。
可使问题变得简单;⑥注意正交分解法和相似三角形方法的灵活性。
例4 如图2-7(a)所示,一个长方体木块被垂直于墙面的力F压在倾斜的墙面上,保持静止状态,则木块所受的作用力的个数可能为()A.2个 B. 3个 C. 4 个 D. 5个【解析】物体所受重力G和推力F之外,还可能受到弹力N和摩擦力f的作用,这里按定义法来分析判断有没有后两个力会有些困难,但如果利用共点力平衡条件分析就很方便了。
有图2-7(b)可知,如果只受G和F作用,物体是不可能平衡的,若仅受G、F和N作用,物体沿墙面方向的合力不为零,也不可能平衡;如果受摩擦力作用就必须有弹力,物体必受到4个力的作用。
故选C。
例5 :如图2-8所示,将重为G的物体A放在倾角 为30 的斜面上,A与斜面间的摩擦因数位0.1,那么对A施加一个多大的水平力,可使物体A处于平衡状态(设A物体受到的最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等)?【解析】物体所处平衡状态有两种可能:①向上匀速或向上滑的趋势;②向下匀速或向下滑的趋势。
当F 最大时,物体沿斜面向上匀速运动如图2-9(a)所示。
F 1-G X -f=0,N-F 2-G y =0故 Fcos α-Gsin α-)sin cos (ααμF G +=0则 F=αμααμαsin cos )cos (sin --G =0.72G 当F 最小时,物体沿斜面向下匀速运动,如图2-9(b )所示。
F 1-G X +f=0,N-F 2-G y =0故 Fcos α-Gsin α+)sin cos (ααμF G +=0则 F=αμααμαsin cos )cos (sin +-G =0.51G 所以水平力的取值范围为0.51G ≤F ≤0.72G 。
尽管物体静止,但要分析判断物体的运动趋势的可能性,以便确定摩擦力的方向。
【跟踪训练】【训练3】小车沿斜面匀速向上行驶时,则稳定时小车上悬挂小球的绳子的方向应为图2-10中的( )A 方向aB 方向bC 方向CD 方向d【答案】C【训练4】如图2-11所示,小车A上方一木块B,在下列情况下,A、B均相对静止试分析A对B 的摩擦力(1)小车A在水平面上匀速运动;(2)小车A突然向右启动。
【答案】0,静摩擦力,方向向右题型三:利用整体法简化受力分析过程对于由两个或两个以上都处于平衡状态且相互作用的物体组成的一个系统而言,在确定外力(系统以外物体对系统中的某个物体的作用)时,可把整个系统看成一个质点,忽略对系统内力(系统内部物体之间相互作用)的分析和判断,从而使复杂问题简化的方法叫做整体法。
例6:如图2-12所示,有一个固定直角支架AOB,AO水平放置,表面粗糙,OB竖直向下,表面光滑,AO上套有小环P,OB上套有小环Q,两环分别重G p和G Q,两环间由一根质量不计、不可伸长的细绳相连,并在某一位置平衡,试分析两环的受力情况。