2、相互作用例题

第三章相互作用（上）(2020新版)（重力、弹力和摩擦力）前言：《李老师物理教学讲义》由李老师高中物理教研室一线教师根据本人多年教学经验，以及人教版教学大纲（最新版）和教材，精心编撰的教学讲义。

本讲义以教材内容为主线，附有大量经典例题和习题，并附有详细答案或解析。

本讲义主要供广大高中物理一线教师教学参考之用，任何自然人或法人未经本教研室许可不得随意转载或用于其它商业用途。

——李老师高中物理教研室一、重力和弹力1．力（1）力是物体与物体之间的相互作用。

在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称牛，符号N。

（2）力的三要素：力的大小、方向和作用点。

（3）力的性质：例题1-1.（2019·南充高一期中）下列说法中正确的是（）A．“风吹草动”，草受到了力，但没有施力物体，说明没有施力物体的力也是存在的B．运动员将足球踢出，球在空中飞行是因为球在飞行中受到一个向前的推力C．甲用力把乙推倒，只是甲对乙用力，而乙对甲没用力D．两个物体发生相互作用不一定相互接触答案：D例题1-2.如图所示，用球拍击打乒乓球时，如果以球为研究对象，则施力物体是( )A．人 B．球拍C．乒乓球 D．无法确定答案：B（4）力的图示和力的示意图力可以用有向线段表示。

有向线段的长短表示力的大小，箭头表示力的方向，箭尾（或箭头）表示力的作用点。

如图3.1-4，球所受的重力大小为6N，方向竖直向下。

这种表示力的方法，叫作力的图示。

在不需要准确标度力的大小时，通常只需画出力的作用点和方向，即只需画出力的示意图。

例题1-3.下图甲、乙中物体A的重力均为10 N，画出它所受重力的图示。

答案：如图所示例题1-4.（2019 -温州模拟）足球运动员已将足球踢向空中，在下图描述足球在向斜上方飞行过程中某时刻的受力图中，正确的是（）答案：B（5）力的分类2.重力（1）定义：由于地球的吸引而使物体受到的力叫作重力（gravity），单位是牛顿，简称牛，符号用N表示。

第二章 相互作用第1单元 力 重力和弹力 摩擦力【例1】如图所示，两物体重力分别为G 1、G 2，两弹簧劲度系数分别为k 1、k 2，弹簧两端与物体和地面相连。

用竖直向上的力缓慢向上拉G 2，最后平衡时拉力F=G 1+2G 2，求该过程系统重力势能的增量。

练习1.关于两物体之间的弹力和摩擦力，下列说法中正确的是( )A.有摩擦力一定有弹力B.摩擦力的大小与弹力成正比C.有弹力一定有摩擦力D.弹力是动力，摩擦力是阻力2.如图，两本书A 、B 逐页交叉后叠放在一起并平放在光滑的水平桌面上，设每张书页的质量为5g ，每本书均是200张，纸与纸之间的动摩擦因数为0.3,问至少要用多大的水平力才能将它们拉开?(g 取10米/秒2)3、弹簧秤的读数是它受到的合外力吗？【例2】 小车向右做初速为零的匀加速运动，物体恰好沿车后壁匀速下滑。

试分析下滑过程中物体所受摩擦力的方向和物体速度方向的关系。

例题分析：例3、下面关于摩擦力的说法正确的是：A 、阻碍物体运动的力称为摩擦力；B 、滑动摩擦力方向总是与物体的运动方向相反；C 、静摩擦力的方向不可能与运动方向垂直；D 、接触面上的摩擦力总是与接触面平行。

例4、如图所示，物体受水平力F 作用，物体和放在水平面上的斜面都处于静止，若水平力F 增大一些，整个装置仍处于静止，则：A 、 斜面对物体的弹力一定增大；B 、 斜面与物体间的摩擦力一定增大；C 、 水平面对斜面的摩擦力不一定增大；F k 2 Δx 2/ k 1G 1 Δx 2 G 2 Δx 1 Δx 1/ FG 1 G 2 k 2 k 1 a v 相对D 、 水平面对斜面的弹力一定增大；例5、用一个水平推力F=Kt （K 为恒量，t 为时间）把一重为G 的物体压在竖直的足够高的平整墙上，如图所示，从t=0开始物体所受的摩擦力f 随时间t 变化关系是哪一个？（3）共点的两个力合力的大小范围是|F 1－F 2| ≤ F 合≤ F 1＋F 2（4） 共点的三个力合力的最大值为三个力的大小之和，最小值可能为零。

第1页共22页专题二 相互作用1.(2022全国乙,15,6分)如图,一不可伸长轻绳两端各连接一质量为m 的小球,初始时整个系统静置于光滑水平桌面上,两球间的距离等于绳长L 。

一大小为F 的水平恒力作用在轻绳的中点,方向与两球连线垂直。

当两球运动至二者相距35L 时,它们加速度的大小均为 ( )A.5F 8mB.2F 5mC.3F 8mD.3F10m 答案 A 如图可知sin θ=12×3L 5L 2=35,则cos θ=45,对轻绳中点受力分析可知F =2T cos θ,对小球由牛顿第二定律得T =ma ,联立解得a =5F8m ,故选项A 正确。

2.(2022广东,1,4分)如图是可用来制作豆腐的石磨。

木柄AB 静止时,连接AB 的轻绳处于绷紧状态。

O 点是三根轻绳的结点,F 、F 1和F 2分别表示三根绳的拉力大小,F 1=F 2且∠AOB =60°。

下列关系式正确的是 ( )A.F =F 1B.F =2F 1C.F =3F 1D.F =√3F 1答案 D O点处于平衡状态,由平衡条件可得:F1 sin 30°=F2 sin 30°、F1 cos 30°+F2 cos 30°=F,所以F=√3F1,D正确。

3.(2022北京,5,3分)如图所示,质量为m的物块在倾角为θ的斜面上加速下滑,物块与斜面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g。

下列说法正确的是 ( )A.斜面对物块的支持力大小为mg sin θB.斜面对物块的摩擦力大小为μmg cos θC.斜面对物块作用力的合力大小为mgD.物块所受的合力大小为mg sin θ答案 B 物块在斜面上加速下滑,受力分析如图。

支持力F N=mg cos θ,A错;摩擦力F f=μF N=μmg cos θ,B对;合力F合=mg sin θ-μmg cos θ,D错;由于物块加速下滑,斜面对物块作用力(F N、F f)的合力与重力mg不是平衡力,C错。

m A. 5 第二章相互作用测试一、选择题(40 分) 1．(单项选择)一木块放在水平桌面上，在水平方向共受到三个力即F 1、F 2和摩擦力的作用， 木块处于静止状态，如右图所示，其中F 1＝10N ，F 2＝2N ．假设撤去F 1，那么木块受到的摩擦力为( )A ．10N ，方向向左B ．6N ，方向向右C ．2N ，方向向右D ．0解析 当物体受 F 1、F 2及摩擦力的作用而处于平衡状态时，由平衡条件，可知物体所受的摩擦力的大小为 8N ，可知最大静摩擦力 Ff max ≥8N ．当撒去力 F 1后，F 2＝2 N<Ff max ， 物体仍处于静止状态，由平衡条件，可知物体所受的静摩擦力大小和方向发生突变，且与作用在物体上的 F 2等大反向．C 项正确．答案 C2．(多项选择)两个共点力F 1、F 2大小不同，它们的合力大小为F ，那么( )A ．F 1、F 2同时增大一倍，F 也增大一倍B ．F 1、F 2同时增加 10 N ，F 也增加 10 NC ．F 1增加 10 N ，F 2减少 10 N ，F 一定不变D ．假设 F 1、F 2中的一个增大，F 不一定增大解析 F 1、F 2同时增大一倍，F 也增大一倍，选项 A 正确；F 1、F 2同时增加 10N ，F 不一定增加 10N ，选项 B 错误；F 1增加 10N ，F 2减少 10N ，F 可能变化，选项 C 错误； 假设 F 1、F 2中的一个增大，F 不一定增大，选项 D 正确．答案 AD3．(单项选择)如下列图，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．在绳子距 a l 端2的 c 点有一固定绳圈．假设绳圈上悬挂质量为 m 2的钩码，平衡后绳的 ac m 1 段正好水平，那么重物和钩码的质量比 为( ) 2 B ．232解析 物理关系mg sin α＝mg ，几何关系sin αl 2 m 1＝1 2 项．答案 C5，所以m 2 2 ，选4．(单项选择)(2022·青岛模拟)如右图所示，斜面固定在地面上，倾角为 37°(sin37° ＝0.6， cos37°＝0.8)，质量为 1 kg 的滑块以一定的初速度沿斜面向下滑，斜面足够长，滑块与斜面间的动摩擦因数μ＝0.8.该滑块所受摩擦力F f 随时间变化的图象是以下列图中的(取初速度方向为正方向，g ＝10 m/s 2)( )解析 由于重力的下滑分力小于滑动摩擦力，即mg sin37°<μmg cos37°，滑块沿斜面做减速运动，并且斜面足够长，滑块最终一定停在斜面上．下滑阶段滑动摩擦力f 1＝μmg cos37° ＝6.4 N ，方向沿斜面向上；静止在斜面上后，静摩擦力 f 2＝mg sin37°＝6 N ，方向沿斜面向上．由于取初速度方向为正方向，故 A 项正确，B 、C 、D 选项错误．答案 A5．(多项选择)(2022·菏泽模拟)如右图所示，两个轻质小环A 、B 套在光滑固定的水平杆上， 两环间距为a ，用原长为l 的轻质橡皮条分别连接两环(a <l <2a )，在橡皮条中间加一竖直向上的力F ，在两环上分别施加大小相等的作用力，使橡皮条拉成一个与杆围成边长为a 的正三角形保持平衡，那么关于施加在两环上的作用力，以下说法中正确的选项是()A ．假设沿橡皮条方向，大小应为3FB F ．假设沿垂直橡皮条方向，大小应为3C D ＝ ＝ D. 2；假设施加在两环上的作用力 ＝ 3 解析 设环受到橡皮条的拉力为T ，F 的作用点受力分析如图甲所示，由力平衡条件可得，2T cos30°＝F ，即 T ＝3FF ′沿橡皮条方向，那么环受二力平衡，有F ′＝T 3F ，选项A 项正确；假设沿垂直橡皮条方向，那么左环受力分析如图乙所示，有F ′＝T tan30° F B 正确；假设沿杆方向，那么左环受力分析如图丙，有 F ′＝T cos60°＝3，选项＝3F ，选项 C 错，D 项对． 答案 ABD6．(多项选择)(2022·潍坊市月考)物体B 靠在水平天花板上，在竖直向上的力F 作用下，A 、B 保持静止，A 与 B 间的动摩擦因数为 μ1，B 与天花板间的动摩擦因数为 μ2，那么关于 μ1、μ2 的值以下判断可能正确的选项是( ) A ．μ1＝0，μ2≠0B ．μ1≠0，μ2＝0C ．μ1＝0，μ2＝0D ．μ1≠0，μ2≠0解析 以 A 、B 整体为研究对象，可知天花板与 B 间无摩擦，所以不能判断天花板和 B 物体之间是否光滑；以 A 为研究对象，A 受力情况如下列图，由平衡条件可判断 A 一定受到 B 对它的摩擦力作用，所以 A 、B 之间一定不光滑．答案 BD7．(单项选择)一轻杆 AB ，A 端用铰链固定于墙上，B 端用细线挂于墙上的 C 点，并在B 端挂一重物，细线较长使轻杆位置如图甲所示时，杆所受的压力大小为 F N1，细线较短使轻杆位置如图乙所示时，杆所受的压力大小为 F N2，那么有( )A．F N1>F N2B．F N1<F N2C．F N1＝F N2D．无法比较解析轻杆一端被铰链固定在墙上，杆上的弹力方向沿杆的方向．由牛顿第三定律，可知杆所受的压力与杆对B点细线的支持力大小相等，方向相反．对两种情况下细线与杆接触点B F N1 mgF N2mg受力分析，如图甲、乙所示，由图中几何关系，可得AB ＝AC，AB ＝AC，故F N1＝F N2，选项C 正确．答案 C8．(单项选择)某物体在n个共点力的作用下处于静止状态，假设把其中一个力F1的方向沿顺时针方向转过90°，而保持其大小不变，其余力保持不变，那么此时物体所受的合力大小为( )B. 2F1A．F1C．2F1D．0解析物体受n个力处于静止状态，那么其中(n－1)个力的合力一定与剩余的那个力等大反向，故除F1以外的其他各力的合力大小等于F1，且与F1方向相反，故当F1转过90°后，物体受到的合力大小应为2F1，选项B项正确．答案 B9．(多项选择)如下列图，不计质量的光滑小滑轮用细绳悬挂于墙上的O点，跨过滑轮的细绳连接物块A、B，A、B都处于静止状态，现将物块B移至C点后，A、B仍保持静止，以下说法中正确的选项是( )A．B与水平面间的摩擦力增大B．绳子对B的拉力增大C．悬于墙上的绳所受拉力不变D．A、B 静止时，图中α、β、θ三角始终相等解析因为将物块B移至C点后，A、B仍保持静止，所以绳中的拉力大小始终等于A 的重力，通过定滑轮，绳子对B的拉力大小也等于A的重力，而B移至C点后，右侧绳子与水平方向的夹角减小，对B进行受力分析可知，B受到水平面的静摩擦力增大，所以选项A 正确，选项B 错误；对滑轮受力分析可知，悬于墙上的绳所受拉力等于两边绳的合力，由于两边绳子的夹角变大，两边绳的合力将减小，选项C 错误；由几何关系可知α、β、θ三角始终相等，选项D 正确．答案AD10.(多项选择)如下列图，一辆质量为M 的汽车沿水平面向右运动，通过定滑轮将质量为m 的重物A 缓慢吊起．在吊起重物的过程中，关于绳子的拉力F T、汽车对地面的压力F N 和汽车受到的摩擦力F f随细绳与水平方向的夹角θ变化的图象中正确的选项是( )解析因为绳子跨过定滑轮，故绳子张力等于重物A 的重力，A 项正确；由牛顿第三定律可知，汽车对地面的压力大小等于地面对汽车的支持力，故以汽车为研究对象，受力分析得F N＝Mg－F T sinθ，取θ＝0 时，F N＝Mg，B 项错误；因为缓慢吊起重物，汽车可视为处于平衡状态，故有F f＝F T cosθ，应选项C 对，D 项错．答案AC二、实验题(20 分)11．以下是一位同学做“探究形变与弹力的关系〞的实验．(1)以下的实验步骤是这位同学准备完成的，请你帮这位同学按操作的先后顺序，用字母排列出来是．A．以弹簧伸长量为横坐标，以弹力为纵坐标，描出各组数据(x，F)对应的点，并用平滑的曲线连接起来B．记下弹簧不挂钩码时其下端在刻度尺上的刻度L0C ．将铁架台固定于桌子上(也可在横梁的另一侧挂上一定的配重)，并将弹簧的一端系于横梁上，在弹簧附近竖直固定一刻度尺D ．依次在弹簧下端挂上 2 个、3 个、4 个、…钩码，并分别记下钩码静止时，弹簧下端所对应的刻度并记录在表格内，然后取下钩码E ．以弹簧伸长量为自变量，写出弹力与伸长量的关系式，首先尝试写成一次函数，如果不行那么考虑二次函数F ．解释函数表达式中常数的物理意义 (2)这位同学探究弹力大小与弹簧伸长量之间的关系所测的几组数据在如图中坐标上已 描出：①在图中的坐标上作出 F •x 图线．②写出曲线的函数表达式(x 用cm 作单位)：.解析 (1)此题考查探究弹簧弹力与形变关系的实验，意在考查学生对实验步骤的识记、实验数据的处理方法、分析归纳能力．根据实验先后顺序可知，实验步骤排列为CBDAEF. (2)②由图象可得k F 0.43N/cm ，所以F ＝0.43x (N)． ＝x ＝答案 (1)CBDAEF (2)①如下列图②F ＝0.43x (N)12．某同学在做“互成角度的两个力的合成〞实验时，利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置 O 点以及两只弹簧测力计拉力的大小，如图(a)所示．(1)试在图(a)中作出无实验误差情况下 F 1和 F 2的合力图示，并用 F 表示此力．(2)有关此实验，以下表达正确的选项是．A．两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大B．橡皮筋的拉力是合力，两弹簧测力计的拉力是分力C．两次拉橡皮筋时，需将橡皮筋结点拉到同一位置O，这样做的目的是保证两次弹簧测力计拉力的效果相同D．假设只增大某一只弹簧测力计的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变，只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可(3)图(b)所示是甲和乙两位同学在做以上实验时得到的结果，其中哪一个比较符合实验事实(力F′是用一只弹簧测力计拉时的图示)．答：(4)在以上比较符合实验事实的一位同学中，造成误差的主要原因是：(至少写出两种情况)答：解析(1)以F1、F2为邻边作平行四边形，其对角线OF 即为所求的合力(如下列图)．(2)两只弹簧测力计的拉力与橡皮筋的拉力的合力为零，它们之间不是合力与分力的关系，B 项错误；结点位置不变，合力不变，当一只弹簧测力计的拉力大小改变时，另一只弹簧测力计的拉力的大小和方向必须都改变，故D 项错误；正确的选项只有A、C.(3)用平行四边形定那么求出的合力可以与橡皮筋拉力的方向有偏差，但用一只弹簧测力计拉结点的拉力与橡皮筋拉力一定在同一直线上，故甲同学实验得到的结果符合实验事实．(4)①F1的方向比真实方向偏左；②F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左；③作图时两虚线没有分别与F1线和F2线平行．(任选其二)答案(1)见解析图(2)AC (2)甲同学实验得到的结果(4)见解析三、计算题(40 分) 13.如下列图，倾角θ＝37°，质量M＝5 kg 的粗糙斜面位于水平地面上，质量m＝2 kg的木块置于斜面顶端，从静止开始匀加速下滑，经t＝2 s 到达底端，运动路程L＝4 m，在此过程中斜面保持静止(sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g 取10 m/s2)．求：(1)地面对斜面的摩擦力大小与方向；(2)地面对斜面的支持力大小．解析 (1)木块做匀加速运动，有L12 ＝2at所以a 2L 2×42 2＝t 2 ＝22 m/s ＝2m/s 木块受力如图甲所示，由牛顿第二定律，得mg sin37°－F f 1＝ma F f 1＝mg sin37°－ma ＝2×10×0.6 N －2×2 N ＝8 N F N1＝mg cos37°＝2×10×0.8 N ＝16 N斜面受力如图乙所示，由共点力平衡，地面对斜面摩擦力F f 2＝F N1′sin37°－F f 1′cos37°＝16×0.6 N －8×0.8 N ＝3.2 N方向水平向左． (2)地面对斜面的支持力F N2＝Mg ＋F N1′cos37°＋F f 1′sin37°＝5×10 N ＋16×0.8 N ＋8×0.6 N ＝67.6 N答案 (1)3.2N 水平向左(2)67.6 N14．如下列图，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°， 那么弹簧的伸长量为多少解析 以小球为研究对象受力分析可知，小球静止，因此有F cos30°＝mg sin30°，可得 弹簧弹力FF ＝kx ，因此弹簧的伸长量x3mg 3k答案 15．(2022·徐州月考)如下列图，半径为 R 的半球支撑面顶部有一小孔．质量分别为 m 1 和 m 2的两只小球(视为质点)，通过一根穿过半球顶部小孔的细线相连，不计所有摩擦．请你分析：(1)m 2小球静止在球面上时，其平衡位置与半球面的球心连线跟水平方向的夹角为 θ， 那么 m 1、m 2、θ 和 R 之间应满足什么关系(2)假设 m 2小球静止于 θ＝45°处，现将其沿半球面稍稍向下移动一些，那么释放后 m 2能否回到原来位置解析 (1)根据平衡条件，有m 2g cos θ＝m 1g 所以m ＝m cos θ(或cos θ m 1)，与R 无关．1 2 ＝m 2(2)因 m 2所受的合力为 m 2g cos θ′－m 1g ＝m 2g (cos θ′－cos45°)>0( 因为 θ′<45°) ，所以 m 2将向下运动，m 2不能回到原来位置．答案 (1)m 1＝m 2cos θ，与R 无关(2)不能 m 2向下运动16．(2022·高考题改编)在机械设计中常用到下面的力学原理，如下列图，只要使连杆 AB 与滑块 m 所在平面间的夹角 θ 大于某个值，那么，无论连杆 AB 对滑块施加多大的作用力，都不可能使之滑动，且连杆 AB 对滑块施加的作用力越大，滑块就越稳定，工程力学上称这为“自锁〞现象(设滑块与所在平面间的动摩擦因数为 μ)，μ 满足什么条件才能使滑块满足“自锁〞现象解析 滑块m 的受力如下列图，建立直角坐标系，将力F 正交分解，由物体平衡条件， 可知竖直方向：F N＝mg＋F sinθ水平方向：F cosθ＝F f≤μF N由以上两式，解得F cosθ≤μmg＋μF sinθ因为力F 很大，所以上式可以写成：F cosθ≤μF sinθ故应满足的条件为μ≥cotθ答案μ≥cotθ。