江苏专版2020版高考物理一轮复习第二章第3节力的合成与分解讲义含解
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力的合成与分解(1)合力及其分力均为作用于同一物体上的力。(√)(2)合力及其分力可以同时作用在物体上。(×)(3)几个力的共同作用效果可以用一个力来代替。(√)(4)在进行力的合成与分解时,都要应用平行四边形定则或三角形定则。(√)(5)两个力的合力一定比其分力大。(×)(6)互成角度的两个力的合力与分力间一定构成封闭的三角形。(√)(7)既有大小又有方向的物理量一定是矢量。(×)
突破点(一) 力的合成问题1.共点力合成的常用方法
(1)作图法:从力的作用点起,按同一标度作出两个分力F1和F2的图示,再以F1和F2
的图示为邻边作平行四边形,画出过作用点的对角线,量出对角线的长度,计算出合力的大小,量出对角线与某一力的夹角确定合力的方向(如图所示)。(2)计算法:几种特殊情况的共点力的合成。类 型作 图合力的计算
①互相垂直F=
F12+F22
tan θ=F1
F2
②两力等大,夹角为θF=2F1cos
θ
2
F与F1夹角为
θ
2
③两力等大且夹角120°合力与分力等大
(3)力的三角形定则:将表示两个力的图示(或示意图)保持原来的方向依次首尾相接,从第一个力的作用点,到第二个力的箭头的有向线段为合力。平行四边形定则与三角形定则的关系如图甲、乙所示。
2.合力的大小范围(1)两个共点力的合成|F1-F2|≤F合≤F1+F2
即两个力大小不变时,其合力随夹角的增大而减小,当两力反向时,合力最小,为|F1-
F2|,当两力同向时,合力最大,为F1+F2。
(2)三个共点力的合成①三个力共线且同向时,其合力最大,为F1+F2+F3。②任取两个力,求出其合力的范围,如果第三个力在这个范围之内,则三个力的合力最小值为零;如果第三个力不在这个范围内,则合力最小值等于最大的力减去另外两个力。[题点全练]1.如图所示为两个大小不变、夹角θ变化的力的合力的大小F与θ角之间的关系图像(0≤θ≤2π),下列说法中正确的是( )A.合力大小的变化范围是0≤F≤14 NB.合力大小的变化范围是2 N≤F≤10 NC.这两个分力的大小分别为6 N和8 ND.这两个分力的大小分别为2 N和8 N解析:选C 由题图可知:当两力夹角为180°时,两力的合力为2 N,而当两力夹角为90°时,两力的合力为10 N。则这两个力的大小分别为6 N、8 N,故C正确;D错误。当两个力方向相同时,合力等于两个力之和14N;当两个力方向相反时,合力等于两个力之差2 N,由此可见:合力大小的变化范围是2 N≤F≤14 N,故A、B错误。2.[多选]对两个大小不等的共点力进行合成,则( )A.合力一定大于每个分力B.合力可能同时垂直于两个分力C.合力的方向可能与一个分力的方向相反D.两个分力的夹角θ在0°到180°之间变化时,θ角越小,合力越大解析:选CD 不在同一条直线上的两个力合成时,遵循平行四边形定则,故合力可能大于、小于或等于任意一个分力,A错误;合力是两分力构成的平行四边形的对角线,而对角线不可能同时垂直两个边,B错误;当两分力方向相反时,则合力可以与一个分力的方向相反,即与较小力的方向相反,C正确;两个大小不变的力,其合力随两力夹角的减小而增大,当夹角为零时,合力最大,D正确。3.一物体受到三个共面共点力F1、F2、F3的作用,三力的矢量关系如图所示(小方格边长相等),其中F3=4 N。下列说法正确的是( )
A.三力的合力有最大值14.3 N,方向不确定B.三力的合力有唯一值8 N,方向与F3同向C.三力的合力有唯一值12 N,方向与F3同向D.由题给条件无法求出合力大小解析:选C 根据平行四边形定则,作出F1、F2的合力如图所示,大小等于2F3,方向与F3相同,再跟F3合成,两个力同向,则三个力的合力大小为3F3=12 N,方向与F3同向,C正确。
突破点(二) 力的分解问题1.按作用效果分解力的一般思路2.正交分解法(1)定义:将已知力按互相垂直的两个方向进行分解的方法。(2)建立坐标轴的原则:一般选共点力的作用点为原点,在静力学中,以少分解力和容易分解力为原则(即尽量多的力在坐标轴上);在动力学中,通常以加速度方向和垂直加速度方向为坐标轴建立坐标系。(3)方法:物体受到F1、F2、F3、…多个力作用求合力F时,可把各力沿相互垂直的x轴、y轴分解。
x轴上的合力:
Fx=Fx1+Fx2+Fx3
+…
y轴上的合力:
Fy=Fy1+Fy2+Fy3
+…
合力大小:F=Fx2+Fy
2
合力方向:与x轴夹角设为θ,则tan θ=。Fy
Fx
[典例] (2019·泰安模拟)用细绳AC和BC吊起一重物,两绳与竖直方向的夹角如图所示。AC能承受的最大拉力为150 N,BC能承受的最大拉力为100 N。为了使绳子不断,所吊重物的质量不得超过多少?(g取10 m/s2)[思路点拨](1)以结点C为研究对象,进行受力分析,可以沿水平、竖直方向建立直角坐标系,对力进行正交分解。(2)两绳作用力不可能同时达到最大,要先用假设法判断哪个先达到最大值。[解析] 设重物的质量最大为m,此时C点处于平衡状态,对C点受力分析如图所示:水平方向上:TBCsin 60°=TACsin 30°①
设AC绳先达到最大拉力150 N即:TAC=150 N由①式解得:TBC=50 N<100 N,说明此时BC绳子还未达到拉力的最大值,但AC绳3子已经达到拉力最大值。在竖直方向:TBCcos 60°+TACcos 30°=mg
解得:m=TBCcos 60°+TAC
cos 30°
g
= kg=10 kg。503×0.5+150×32103
[答案] 10 kg3[方法规律] 力的合成与分解方法的选择力的效果分解法、正交分解法、合成法都是常见的解题方法,一般情况下,物体只受三个力的情形下,力的效果分解法、合成法解题较为简单,在三角形中找几何关系,利用几何关系或三角形相似求解;而物体受三个以上力的情况多用正交分解法,但也要视题目具体情况而定。[集训冲关]1.[多选](2018·辽阳期末)将一个F=10 N的力分解为两个分力,如果已知其中一个分力F1方向与F成30°角,则关于另一个分力F2,下列说法正确的是( )A.F2的方向不可能与F平行B.F1的大小不可能小于5 NC.F2的大小可能小于5 ND.F2的方向与F1垂直时F2最小解析:选AD 根据力的三角形法则,不在一条直线上的两个分力和合力组成一个矢量三角形,F2的方向不可能与F平行,故A正确;两个分力和合力只要能组成一个矢量三角形都是有可能的,F1的大小有可能小于5 N,故B错误;要组成一个矢量三角形,F2的最小值为5 N,故C错误;根据点到直线的距离,垂线最短,F2的方向与F1垂直时F2最小,故D正确。2.(2019·孝感模拟)生活中的物理知识无处不在,如图所示是我们衣服上的拉链的一部分。在把拉链拉开的时候,我们可以看到有一个三角形的东西在两链中间运动,使很难直接分开的拉链容易地拉开。关于其中的物理原理以下说法正确的是( )A.拉开拉链的时候,三角形的物体增大了分开两拉链的力B.拉开拉链的时候,三角形的物体只是为了将拉链分开并没有增大分开拉链的力C.拉开拉链时,三角形的物体增大了分开拉链的力,但合上拉链时减小了合上的力D.以上说法都不正确解析:选A 在拉开拉链的时候,三角形物体在两链间运动,如图所示,手的拉力在三角形物体上产生了两个分力,分力的大小大于拉力的大小,所以很难直接分开的拉链很容易拉开;合上拉链时,三角形的物体增大了合上拉链的力,故A正确,B、C、D错误。
突破点(三) 对称法解决非共面力问题在力的合成与分解的实际问题中,经常遇到物体受多个非共面力作用处于平衡状态的情况,而在这类平衡问题中,又常有图形结构对称的特点,结构的对称性往往对应着物体受力的对称性。解决这类问题的方法是根据物体受力的对称性,结合力的合成与分解知识及平衡条件列出方程,求解结果。
[典例] (2018·广州综合测试)如图是悬绳对称且长度可调的自制降落伞。用该伞挂上重为G的物体进行两次落体实验,悬绳的长度l1A.F1F2
C.F1=F2G
[方法点拨]降落伞的悬绳对称,则各悬绳上的拉力大小相等,且各悬绳与竖直方向的夹角大小相等,因此各悬绳的拉力在竖直方向的分力大小也相等。[解析] 物体受重力和n根悬绳拉力作用处于平衡状态,由对称性可知,每条悬绳拉力
的竖直分力为,设绳与竖直方向的夹角为θ,则有Fcos θ=,解得F=,由于无GnGnGncos θ
法确定ncos θ是否大于1,故无法确定拉力F与重力G的关系,C、D错误;悬绳较长时,夹角θ较小,故拉力较小,即F1>F2,A错误,B正确。[答案] B[集训冲关]1.(2018·东台模拟)如图甲,某工地上起重机将重为G的正方形工件缓缓吊起。四根等长的钢绳(质量不计),一端分别固定在正方形工件的四个角上,另一端汇聚于一处挂在挂钩上,绳端汇聚处到每个角的距离均与正方形的对角线长度相等(如图乙)。则每根钢绳的受力大小为( )