2013高考物理常见难题大盘点力矩 有固定转动轴

2013高考物理常见难题大盘点力矩 有固定转动轴

‎2013高考物理常见难题大盘点：力矩 有固定转动轴物体的平衡 图1-50‎ ‎1．如图1-50所示是单臂斜拉桥的示意图,均匀桥板ao重为G,三根平行钢索与桥面成30°,间距ab=bc=cd=do,若每根钢索受力相同，左侧桥墩对桥板无作用力，则每根钢索的拉力大小是（ ）。‎ ‎(A)G (B)G∕6 ‎ ‎(C)G∕3 (D)2G∕3‎ 解答 设aO长为4L，每根钢索受力为T，以O点为转轴，由力矩平衡条件得 ‎ ，‎ 解得 。‎ ‎ 本题的正确选项为（D）。‎ ‎2．图1-51为人手臂骨骼与肌肉的生理结构示意图，手上托着重量为G的物体，（1）在方框中画出前臂受力示意图（手、手腕、尺骨和挠骨看成一个整体，所受重力不计，图中O点看作固定转动轴，O点受力可以不画）．（2）根据图中标尺估算出二头肌此时的收缩力约为 ．‎ 图1-51‎ ‎ ‎ 图1-52 ‎ 解答 前臂的受力如图1-52所示，以O点为转轴，由力矩平衡条件得 ‎ ，‎ ‎ 其中N=G，可得 F=8G。‎ ‎ 本题的正确答案为“8G”。‎ F1‎ F2‎ F3‎ F4‎ O A 图1-53‎ ‎3．如图1-53所示，直杆OA可绕O轴转动，图中虚线与杆平行．杆的A端分别受到F1、F2、F3、F4四个力作用，它们与OA杆在同一竖直平面内，则它们对O点的力矩M1、M2、M3、M4的大小关系是（ ）。‎ ‎(A)M1＝M2＞M3＝M4‎ ‎(B)M1＞M2＞M3＞M4‎ ‎(C)M2＞M1＝M3＞M4‎ ‎(D)M1＜M2＜M3＜M4‎ 解答 把四个力都分解为垂直于OA方向和沿OA方向的两个分力，其中沿OA方向的力对O点的力矩都为零，而垂直于OA方向的力臂都相等，所以四个力的力矩比较等效为垂直方向的力的比较。从图中不难看出力大小关系为F2⊥>F1⊥=F3⊥>F4⊥，所以力矩大小关系为M2>M1=M3>M4。‎ 本题的正确选项为（C）。‎ B A O P 图1-54‎ ‎4．如图1-54所示的杆秤，O为提扭，A为刻度的起点，B为秤钩，P为秤砣，关于杆秤的性能，下述说法中正确的是（ ）。‎ ‎(A)不称物时，秤砣移至A处，杆秤平衡 ‎(B)不称物时，秤砣移至B处，杆秤平衡 ‎(C)称物时，OP的距离与被测物的质量成正比 B A O P 图1-55 ‎ D G ‎(D)称物时，AP的距离与被测物的质量成正比 解答 当不称物体时，秤砣应在零刻度线，即在A点，此时对O点的力矩平衡，设杆秤本身的重为G0，重心离开O点距离为OC，根据力矩平衡条件得 ‎ ， ①‎ 当称物体为G时，设秤砣在D点时杆秤平衡，如图1- 55所示，根据力矩平衡条件有 ‎ ， ②‎ ‎ 由①②式得 ‎ 。‎ ‎ 本题的正确选项为（A）（D）。‎ 图1-56‎ ‎5.．如图1-56所示，A、B是两个完全相同的长方形木块，长为，叠放在一起，放在水平桌面上，端面与桌边平行．A木块放在B上，右端有伸出，为保证两块不翻倒，木块B伸出桌边的长度不能超过（ ）。‎ ‎(A)/2 (B)3/8 ‎ ‎(C)/4 (D)/8‎ 解答 把A、B当作一个整体，其重心位置在两个木块的中点，根据几何关系可知在距B右边处。为了不翻倒，它们的重心不能超过桌边，即B伸出桌边长度不超过。本题的正确选项为（B）。‎ ‎6．如图1-57所示，将粗细均匀、直径相同的均匀棒A和B粘合在一起，并在粘合处用绳悬挂起来，恰好处于水平位置而平衡，如果A的密度是B的两倍，那么A的重力大小是B的 ‎_______倍．‎ 解答 假设A的长度为x，B的长度为y，横截面积为S，B的密度为ρ，则A的密度为2ρ，有 A B 图1-57‎ ‎, ,‎ 根据力矩平衡条件得 ‎ ，‎ 代入得 ， ‎ 所以 。‎ ‎ 本题的正确答案为“”。‎ B A C 图1-58‎ ‎7．如图1-58所示，一个质量为m、半径为R的球，用长为R的绳悬挂在L形的直角支架上，支架的重力不计，AB长为2R，BC长为，为使支架不会在水平桌面上绕B点翻倒，应在A端至少加多大的力？‎ ‎ 解答 要使加在A端的力最小，力臂应最大，即为AB的长度。以球和直角支架整体作为研究对象，球所受重力和A端所受作用力对B点力矩平衡，有 图1-59‎ ‎ ,‎ ‎ 可得 F=mg ,‎ ‎ 所以应在A端至少加mg的力作用。‎ ‎8．如图1-59所示，重为600N的均匀木板搁在相距为2.0m的两堵竖直墙之间，一个重为800N的人站在离左墙0.5m处，求左、右两堵墙对木板的支持力大小．‎ N1‎ G 图1-60 ‎ N3‎ N2‎ 解答 木板的受力分析如图1-60所示，以左边墙的交点为支点，根据力矩平衡条件得 ‎ ， ① ‎ 以右边墙的交点为支点，根据力矩平衡条件得 ‎ ， ②‎ ‎ 其中N1=G人=800N，G=600N，代入①②式得N2=900N，N3=500N。‎ 图1-61‎ ‎ 所以左、右两堵墙对木板的支持力大小分别为900N、500N。‎ ‎9．棒AB的一端A固定于地面,可绕A点无摩擦地转动,B端靠在物C上,物C靠在光滑的竖直墙上,如图1-61所示.若在C物上再放上一个小物体,整个装置仍保持平衡,则B端与C物之间的弹力大小将（ ）。‎ ‎(A)变大 (B)变小 ‎ ‎(C)不变 (D)无法确定 图1-62 ‎ N f f GC G 解答 AB棒及C物体在竖直方向的受力分析如图1- 62 所示，对于C物体，由平衡条件得 ‎ f=GC ， ①‎ ‎ 对于AB棒，根据力矩平衡条件得 ‎ ， ②‎ ‎ 在C上加一小物体后，GC增加，由①式可知f也将增大，则Mf增大。由②式可知MN随之增大，则N也增大。‎ ‎ 本题的正确选项为（A）。‎ A B 图1-63‎ ‎10．如图1-63所示，质量为m的运动员站在质量为m的均匀长板AB的中点，板位于水平地面上，可绕通过A点的水平轴无摩擦转动，板的B端系有轻绳，轻绳的另一端绕过两个定滑轮后，握在运动员的手中，当运动员用力拉绳子时，滑轮的两侧的绳子都保持在竖直方向，则要使板的B端离开地面，运动员作用于绳的最小拉力是_________．‎ A B T N mg 图1- 64 ‎ 解答 设板长为2L，对板进行受力分析如图1- 64所示，以A为转轴，根据力矩平衡条件得 ‎ MN+MG=MT ，‎ 即 , ①‎ ‎ 以人为研究对象，有 ‎ T+N=mg ， ②‎ ‎ 由①②式得 T=mg ,‎ ‎ 本题的正确答案为“mg”。‎ O A q 图1-65‎ ‎11．如图1-65所示，半径是0.1m，重为N的均匀小球，放在光滑的竖直墙和长为1m的光滑木板（不计重力）OA之间，木板可绕轴O转动，木板和竖直墙的夹角为q=60°，求墙对球的弹力和水平绳对木板的拉力．‎ 解答 对木板OA受力分析如图1- 66所示，由力矩平衡条件得 T O A θ/2‎ 图1-66 ‎ N1‎ ‎ , ①‎ 对球受力分析如图1- 67所示，根据平衡条件得 ‎ , ②‎ N2‎ N1‎ G 图1-67 ‎ ‎ , ③ 由①②式得 ， ‎ 其中G=N，R=‎0.1m，q=60°，L=‎1m，代入可得T=N=6.93N。由②③式可得N2=10N。‎ 所以墙对球的弹力为10N，水平绳对木板的拉力为6.93N。‎ A B C F 图1—68‎ ‎12．如图1-68所示，均匀杆AB每米重为30N，将A端支起，在离A端0.2m的C处挂一重300N的物体，在B端施一竖直向上的拉力F，使杆保持水平方向平衡，求杆长为多少时，所需的拉力F最小，最小值为多少？‎ 解答 设杆长为x m，则重为30x N，由力矩平衡条件得 ‎ ,‎ 即 , ①‎ 要使方程有解，则 ，即F ≥ 60N， 取F=60N，代入①式可得x = 2 m。‎ 所以杆长为2 m时，所需的拉力F最小，最小值为60N。‎ ‎12．两个所受重力大小分别为GA和GB的小球A和B，用细杆连接起来，放置在光滑的半球形碗内．小球A、B与球心O在同一竖直平面内，如图1-69所示．若碗的半径为R，细杆的长度为，GA>GB ，则连接两小球的AB细杆静止时与竖直方向的夹角为多大? ‎ 解答 以A、B整体为研究对象，A、B物体所受的支持力通过球心，所以以O为转动轴，只有A和B的重力矩．如图1-70所示，由力矩平衡条件可得 O A B GA GB a b ‎45°‎ ‎45°‎ g ‎， ①‎ ‎ 由几何关系知： ②‎ 解①②式得 ，‎ 图1-70‎ 所以细杆与竖直方向的夹角g为。‎ F a 图1-71 ‎ A B ‎13．如图1-71所示，重为G的一根均匀硬棒AB，杆的A端被细绳吊起，在杆的另一端B作用一水平力F，把杆拉向右边，整个系统平衡后，细线、棒与竖直方向的夹角分别为a、b．求证：tgb=2tga．‎ F a b 图1-72‎ A B T mg O C D 证明 硬棒受到三个力作用平衡，则三个力的作用线必交于一点，如图1- 72所示。AB为一根质量均匀的硬棒，所以O为AB的中点，则由几何关系可得C为BD的中点，而 ， ，‎ 所以。‎ 图1-73‎ ‎14．半径为R、质量为M1的均匀圆球与一质量为M2的重物分别用细绳AD和ACE悬挂于同一点A，并处于平衡，如图1-73所示．已知悬点A到球心O的距离为L，不考虑绳的质量和绳与球的摩擦，试求悬挂圆球的绳AD与竖直方向AB的夹角θ．‎ 解答 如图1- 74所示，以球为研究对象，球受到重力、绳子ACE对球的压力及AD绳的拉力作用，因为不考虑绳对球的摩擦，则绳对球的压力N必然通过球心，球是均匀的，重心必在球心，所以第三个力AD绳的拉力必过球心，即O、A、D三点在同一直线上。以球、重物和绳作为一个系统，以A为转动轴，由力矩平衡条件可得 N M1g M2g 图1-74‎ 而 ‎，代入上式可得悬挂圆球的绳AD与竖直方向AB的夹角。‎ ‎15．在一些重型机械和起重设备上，常用双块式电磁制动器，它的简化示意图如图1-75所示，O1和O2为固定铰链．在电源接通时，A杆被往下压，通过铰链C1、C2、C3使弹簧S被拉伸，制动块B1、B2与制动轮D脱离接触，机械得以正常运转．当电源被切断后，A杆不再有向下的压力(A杆及图中所有连杆及制动块所受重力皆忽略不计)，于是弹簧回缩，使制动块产生制动效果．此时O1C1和O2C2处于竖直位置．已知欲使正在匀速转动的D轮减速从而实现制动，至少需要M=1100N•m的制动力矩，制动块与制动轮之间的摩擦系数μ＝0.40，弹簧不发生形变时的长度为L=0.300m，制动轮直径d=0.400m，图示尺寸a=0.065m，h1=0.245m，h2=0.340m，试求选用弹簧的倔强系数k最小要多大．‎ 图1-75‎ ‎  解答 如图1-76所示，制动时制动块B1、B2对D的正压力分别为N1和N2，滑动摩擦力分别为mN1和mN2。则制动力矩 N1‎ m N1‎ N1‎ N2‎ m N2‎ N1‎ m N1‎ N1‎ N1‎ N2‎ m N2‎ N1‎ F F 图1-76‎ ‎ ①‎ ‎ 以左、右两杆为研究对象，由力矩平衡条件可得 ‎ ②‎ ‎ ③‎ ‎ 而F为弹簧的弹力，由胡克定律可得 ‎ ④‎ 由①②③④四式可得。代入数据可得。‎ ‎ 所以选用弹簧的倔强系数k最小值为。‎ A B q 图1-77‎ ‎16．如图1-77所示，在竖直墙上有两根相距为2a的水平木桩A和B，有一细棒置于A上、B下与水平方向成q 角，细棒与木桩之间的静摩擦因数为m，求要使细棒静止，其重心与木桩A之间距离应满足的条件。‎ 解答 设细棒的重心在距离A木桩x处，其受力如图1-78 所示，分别对于O、A点，由力矩平衡条件可得 A B q 图1-78‎ G NA NB fA fB O ‎， ①‎ ‎， ②‎ ‎ 由力平衡条件可得 ‎， ③‎ 而 。 ④‎ 由①②③④四式可得，由②可知x≥0，所以本式仅对适用。‎ 若，设想x=0，此时细棒与木桩B无作用力，但由于m足够大，fA就能维持细棒平衡；当x>0时，细棒与木桩B产生弹力，细棒更加不会下滑。 ‎ 所以要使细棒静止，其重心与木桩A之间的距离应满足的条件为 ‎。‎