高考物理二轮复习考前三个月专题1力与物体的平衡教案

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高考物理二轮复习考前三个月专题1力与物体的平衡教案

专题 1 力与物体的平衡 考题一 物体的受力分析及平衡问题 1.中学物理中的各种性质的力 种类 大小 方向 说明 重力 G=mg(不同高度、 纬度、星球,g 不同) 竖直向下 微观粒子的重力一般可 忽略,带电小球、微粒 的重力一般不能忽略 弹簧的弹力 F=kx(x 为形变量) 沿弹簧轴线 大小、方向都能够发生 变化 静摩擦力 0<Ff 静≤Fmax 与 相对 运 动趋 势 方向相反 没有公式,只能由牛顿 运动定律求解 滑动摩擦力 Ff 滑=μFN 与 相对 运 动方 向 相反 一般情况下 FN ≠mg 万有引力 F=Gm1·m2 r2 沿质点间的连线 适用于质点之间、质量 均匀分布的球体之间引 力的求解 库仑力 F=kq1·q2 r2 沿 点电 荷 间的 连 线 适用于真空中点电荷间 库仑力的求解 电场力 F 电=qE 正(负)电荷与电 场 强度 方 向相 同 (相反) 带电体处于电场中一定 受电场力 安培力 F=BIL 当 B∥I 时,F=0 左手定则,安培力 (洛伦兹力)的方 向总是垂直于 B 与 I(或B与v)决定的 平面 电流或电荷处于磁场中 不一定受磁场力 洛伦兹力 F 洛=qvB 当 B∥v 时, F 洛=0 2.受力分析的常用方法 (1)整体法与隔离法 整体法 隔离法 概念 将加速度相同的几个物体作为一个 整体来分析的方法 将研究对象与周围物体分隔开的方法 选用 原则 研究系统外的物体对系统整体的作 用力或系统整体的加速度 研究系统内物体之间的相互作用力 (2)假设法 在受力分析时,若不能确定某力是否存在,可先对其作出存在或不存在的假设,然后再就该 力存在与否对物体运动状态影响的不同来判断该力是否存在. (3)转换研究对象法 当直接分析一个物体的受力不方便时,可转换研究对象,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. 例 1 将重为 4mg 的均匀长方体物块切成相等的 A、B 两部分,切面与边面夹角为 45°,如图 1 所示叠放并置于水平地面上,现用弹簧秤竖直向上拉物块 A 的上端,弹簧秤示数为 mg,整 个装置保持静止,则( ) 图 1 A.地面与物块间可能存在静摩擦力 B.物块对地面的压力大于 3mg C.A 对 B 的压力大小为 mg D.A、B 之间静摩擦力大小为 2 2 mg 解析 对 AB 整体受力分析,水平方向不受地面的摩擦力,否则不能平衡,故 A 错误;竖直方 向受力平衡,则有 FN+F=4mg,解得:FN=3mg,则物块对地面的压力等于 3mg,故 B 错误; 对 A 受力分析如图所示, 把 A 部分所受力沿切面和垂直切面方向进行分解,根据平衡条件得: FNA=(2mg-mg)cos 45°,Ff=(2mg-mg)sin 45° 解得:FNA=Ff= 2 2 mg,故 C 错误,D 正确. 答案 D 变式训练 1.如图 2 所示,带电体 P、Q 可视为点电荷,电荷量相同.倾角为θ、质量为 M 的斜面体放在 粗糙地面上,将质量为 m 的带电体 P 放在粗糙的斜面体上.当带电体 Q 放在与 P 等高(PQ 连线 水平)且与带电体 P 相距为 r 的右侧位置时,P 静止且受斜面体的摩擦力为 0,斜面体保持静 止,静电力常量为 k,则下列说法正确的是( ) 图 2 A.P、Q 所带电荷量为 mgktan θ r2 B.P 对斜面体的压力为 0 C.斜面体受到地面的摩擦力为 0 D.斜面体对地面的压力为(M+m)g 答案 D 解析 对 P,如图甲 F 库=mgtan θ=k q2 r2得 q= mgr2tan θ k , 对 P 和斜面体,如图乙 得 FN′=(M+m)g,Ff=F 库=mgtan θ. 2.如图 3 所示,质量均为 m 的两物体 a、b 放置在两固定的水平挡板之间,物体间竖直夹放一 根轻弹簧,弹簧与 a、b 不粘连且无摩擦.现在物体 b 上施加逐渐增大的水平向右的拉力 F, 两物体始终保持静止状态,已知重力加速度为 g,下列说法正确的是( ) 图 3 A.物体 b 所受摩擦力随 F 的增大而增大 B.弹簧对物体 b 的弹力大小可能等于 mg C.物体 a 对挡板的压力大小可能等于 2mg D.物体 a 所受摩擦力随 F 的增大而增大 答案 A 解析 对 b:水平方向 Ff=F,F 增大所以 Ff 增大,故 A 项正确;由于 b 物体受到摩擦力,则 上挡板必定对 b 物体有向下正压力,在竖直方向上,受到重力、正压力和弹簧弹力保持平衡, 那么弹簧弹力为重力和正压力之和,必定大于重力 mg,故 B 项错误;弹簧弹力大于 mg,对 a 物体受力分析可知,a 物体对下挡板的压力为其重力和弹簧弹力之和,大于 2mg,故 C 项错误; 对 a 物体受力分析可知,a 物体在水平方向不受力的作用,摩擦力始终为 0,故 D 项错误. 3.如图 4 所示,一轻质细杆两端分别固定着质量为 m1 和 m2 的两个小球 A 和 B(可视为质点). 将其放在一个直角形光滑槽中,已知轻杆与槽右壁成α角,槽右壁与水平地面成θ角时,两 球刚好能平衡,且α≠0,则 A、B 两小球质量之比为( ) 图 4 A.cos α·cos θ sin α·sin θ B.cos α·sin θ sin α·cos θ C.sin α·sin θ cos α·cos θ D.sin α·cos θ cos α·cos θ 答案 C 解析 对 A 球受力分析,受重力、杆的弹力、槽的支持力,如图甲所示: 根据共点力的平衡条件,有: F sin 90°-θ = m1g sin α ① 再对 B 球受力分析,受重力、杆的弹力、槽的支持力,如图乙所示: 根据平衡条件,有: m2g sin 90°-α = F sin θ ② 联立①②解得:m1 m2 =sin α·sin θ cos α·cos θ ,故选项 C 正确. 考题二 共点力作用下的物体的动态平衡 1.图解法:一个力恒定、另一个力的方向恒定时可用此法. 例:挡板 P 由竖直位置向水平位置缓慢旋转时小球受力的变化.(如图 5) 图 5 特点:一个力为恒力,另一个力的方向不变. 2.相似三角形法:一个力恒定、另外两个力的方向同时变化,当所作矢量三角形与空间的某 个几何三角形总相似时用此法.(如图 6) △AOB 与力的矢量 △OO′A 与力的矢量 三角形总相似 三角形总相似 图 6 特点:一个力为恒力,另两个力的方向都在变. 3.解析法:如果物体受到多个力的作用,可进行正交分解,利用解析法,建立平衡方程,根 据自变量的变化确定因变量的变化. 4.结论法:若合力不变,两等大分力夹角变大,则分力变大. 例 2 (2016·全国甲卷·14)质量为 m 的物体用轻绳 AB 悬挂于天花板上.用水平向左的力 F 缓慢拉动绳的中点 O,如图 7 所示.用 T 表示绳 OA 段拉力的大小,在 O 点向左移动的过程中 ( ) 图 7 A.F 逐渐变大,T 逐渐变大 B.F 逐渐变大,T 逐渐变小 C.F 逐渐变小,T 逐渐变大 D.F 逐渐变小,T 逐渐变小 解析 对 O 点受力分析如图所示,F 与 T 的变化情况如图,由图可知在 O 点向左移动的过程 中,F 逐渐变大,T 逐渐变大,故选项 A 正确. 答案 A 例 3 如图 8 所示,绳与杆均不计重力,承受力的最大值一定.A 端用铰链固定,滑轮 O 在 A 点正上方(滑轮大小及摩擦均可忽略),B 端挂一重物 P,现施加拉力 FT 将 B 缓慢上拉(绳和杆 均未断),在杆达到竖直前( ) 图 8 A.绳子越来越容易断 B.绳子越来越不容易断 C.杆越来越容易断 D.杆越来越不容易断 解析 以 B 点为研究对象,分析受力情况:重物的拉力 F(等于重物的重力 G)、轻杆的支持力 FN 和绳子的拉力 FT,作出受力图如图: 由平衡条件得知,FN 和 FT 的合力 F′与 F 大小相等,方向相反,根据三角形相似可得:FN AB =FT BO =F′ AO 又 F′=G,解得:FN=AB AO G;FT=BO AO G,使∠BAO 缓慢变小时,AB、AO 保持不变,BO 变小, 则 FN 保持不变,FT 变小.故杆无所谓易断不易断,绳子越来越不容易断,故 B 项正确.故选 B. 答案 B 变式训练 4.如图 9 所示,在楼道内倾斜天花板上需要安装灯泡照明,两根轻质细线的一端拴在 O 点、 另一端分别固定在天花板上 a 点和 b 点,一灯泡通过轻质细线悬挂于 O 点,系统静止,Oa 水 平、Ob 与竖直方向成一定夹角.现在对灯泡施加一个水平向右的拉力,使灯泡缓缓向右移动 一小段距离的过程中( ) 图 9 A.Oa 上的拉力 F1 可能不变 B.Oa 上的拉力 F1 不断增大 C.Ob 上的拉力 F2 不断减小 D.Ob 上的拉力 F2 可能增大 答案 B 解析 设灯泡为 C.先选择灯泡为研究对象,开始时灯泡受到重力和细线的拉力,所以细线的 拉力等于灯泡的重力;对灯泡施加一个水平向右的拉力F后设OC与竖直方向之间的夹角为θ, 如图甲, 则 FC= mg cos θ ,选择节点 O 为研究对象,则 O 点受到三个力的作用处于平衡状态,受力如图 乙, 由图可知,在竖直方向:F2 沿竖直方向的分力始终等于 FCcos θ=mg,而且 F2 的方向始终不 变,所以 F2 始终不变;沿水平方向:F1 的大小等于 F2 沿水平方向的分力与 FC 沿水平方向分力 的和,由于 FC 沿水平方向分力随θ的增大而增大,所以 F1 逐渐增大.可知四个选项中只有 B 正确. 5.如图 10 所示,两相同物块分别放置在对接的两固定斜面上,物块处在同一水平面内,之间 用细绳连接,在绳的中点加一竖直向上的拉力 F,使两物块处于静止状态,此时绳与斜面间 的夹角小于 90°.当增大拉力 F 后,系统仍处于静止状态,下列说法正确的是( ) 图 10 A.绳受到的拉力变大 B.物块与斜面间的摩擦力变小 C.物块对斜面的压力变小 D.物块受到的合力不变 答案 ACD 解析 F 增大,由于绳的夹角不变,故绳上的拉力增大,A 正确;对物块进行受力分析,沿斜 面方向:绳的拉力的分量与物块重力的分量之和等于静摩擦力,垂直斜面方向:物块重力的 分量等于斜面对物块的支持力与绳的拉力的分量之和.由于绳上的拉力增大,故静摩擦力变 大,支持力变小,B 错误,C 正确;物块仍处于平衡状态,所受合力仍为 0,故 D 正确. 考题三 平衡中的临界、极值问题 1.物体平衡的临界问题:当某一物理量变化时,会引起其他几个物理量跟着变化,从而使物 体所处的平衡状态恰好出现变化或恰好不出现变化. 2.极限分析法:通过恰当地选取某个变化的物理量将其推向极端(“极大”或“极小”、“极 右”或“极左”等). 3.解决中学物理极值问题和临界问题的方法 (1)物理分析方法:就是通过对物理过程的分析,抓住临界(或极值)条件进行求解. (2)数学方法:例如求二次函数极值、讨论公式极值、三角函数极值. 例 4 如图 11 所示,物体在拉力 F 的作用下沿水平面做匀速运动,发现当外力 F 与水平方向 夹角为 30°时,所需外力最小,由以上条件可知,外力 F 的最小值与重力的比值为( ) 图 11 A. 3 2 B.1 2 C. 3 3 D. 3 6 [思维规范流程] 对物体受力分析如图所示:物体受 4 个力做匀速直线运动,所以选用正交分解,分方向列平 衡方程. 竖直方向:FN+F·sin 30°=G 水平方向:F·cos 30°=Ff 滑动摩擦力:Ff=μFN 解得:F= G sin 30°+ 1 μ cos 30° 当 sin 30°+ 1 μ cos 30°最大时,F 具有最小值. 三角函数求极值 ――――――――――→一阶导数为 0 时具有极值(sin 30°+ 1 μ cos 30°)′=cos 30°- 1 μ sin 30° =0 得μ= 3 3 所以F G = 1 sin 30°+ 3cos 30° =1 2 变式训练 6.如图 12 所示,在两固定的竖直挡板间有一表面光滑的重球,球的直径略小于挡板间的距离, 用一横截面为直角三角形的楔子抵住.楔子的底角为 60°,重力不计.设最大静摩擦力等于滑 动摩擦力.为使球不下滑,楔子与挡板间的动摩擦因数至少应为( ) 图 12 A. 3 3 B. 3 C.1 2 D. 3 2 答案 A 解析 设球的质量为 M,隔离光滑均匀重球,对球受力分析如图甲所示,由几何关系可知, θ=30°,可得: FN=Fcos θ,Mg-Fsin θ=0 解得:F= Mg sin 30° =2Mg 再以楔子为研究对象,由于其重力忽略不计,所以只受到球的压力、挡板的支持力和摩擦力, 如图乙: 由共点力平衡可得: FN′=F′cos θ,Ff-F′sin θ=0 其中 F′与 F 大小相等,方向相反.又:Ff=μFN′联立得:μ= 3 3 ,故 A 正确,B、C、D 错 误. 7.如图 13 所示,质量为 m 的物体,放在一固定的斜面上,当斜面倾角为 30°时恰能沿斜面 匀速下滑.对物体施加一大小为 F 的水平向右的恒力,物体可沿斜面匀速向上滑行.设最大静 摩擦力等于滑动摩擦力,当斜面倾角增大并超过某一临界角θ0 时,不论水平恒力 F 多大,都 不能使物体沿斜面向上滑行,试求: 图 13 (1)物体与斜面间的动摩擦因数μ; (2)临界角θ0. 答案 (1) 3 3 (2)60° 解析 (1)由题意物体恰能沿斜面匀速下滑,则满足 mgsin 30°=μmgcos 30° 解得μ= 3 3 (2)设斜面倾角为α,受力情况如图所示, 由匀速直线运动的条件有 Fcos α=mgsin α+Ff,FN=mgcos α+Fsin α,Ff=μFN 解得 F=mgsin α+μmgcos α cos α-μsin α 当 cos α-μsin α=0 时 ,F→∞,即“不论水平恒力 F 多大,都不能使物体沿斜面向上 滑行”,此时临界角θ0=α=60°. 专题规范练 1.如图 1 所示,一小男孩通过一根弹簧想把地面上的木箱拖回房间,但试了两次均未拖动. 分析图甲、图乙后,下列说法正确的是( ) 图 1 A.弹簧的弹力等于木箱受到的摩擦力与人所受的摩擦力之和 B.图甲中木箱受到的摩擦力小于图乙中木箱受到的摩擦力 C.图甲中木箱受到的合力小于图乙中木箱受到的合力 D.图甲中木箱受到的合力大于图乙中木箱受到的合力 答案 B 解析 对木箱受力分析,因处于平衡状态,合力为零,则弹力等于木箱受到的摩擦力,故 A 错误;根据弹簧的形变量大小可知,图乙的弹力较大,则图甲中木箱受到的摩擦力小于图乙 中木箱受到的摩擦力,故 B 正确;根据平衡条件可知,两图中木箱均处于平衡状态,则它们 的合力为零,故 C、D 错误. 2.如图 2 所示,物体受到沿斜面向下的拉力 F 作用静止在粗糙斜面上,斜面静止在水平地面 上,则下列说法正确的是( ) 图 2 A.斜面对物体的作用力的方向竖直向上 B.斜面对物体可能没有摩擦力 C.撤去拉力 F 后物体仍能静止 D.水平地面对斜面没有摩擦力 答案 C 解析 物体受拉力、重力、支持力和摩擦力,根据平衡条件,斜面对物体的作用力与重力和 拉力的合力等大反向,故 A 错误;设斜面的倾角为α,物体的质量为 m,撤去 F 前物体静止 在斜面上,合力为零,则物体必定受到沿斜面向上的静摩擦力,大小为 Ff=F+mgsin α,则 最大静摩擦力至少为 Ffm=F+mgsin α;撤去 F 后,因为重力的下滑分力 mgsin αF1=F2 C.F3=F1>F2 D.F1>F2>F3 答案 C 解析 甲图:物块静止,弹簧的拉力 F1=mg;乙图:以物块为研究对象,受力如图甲, F2=Gsin 60°= 3 2 mg≈0.866mg 丙图:以动滑轮为研究对象,受力如图乙.由几何知识得 F3=mg,故 F3=F1>F2 6.如图 6 所示,质量均为 m 的 A、B 两球,由一根劲度系数为 k 的轻弹簧连接静止于半径为 R 的光滑半球形碗中,弹簧水平,两球间距为 R 且球半径远小于碗的半径.则弹簧的原长为 ( ) 图 6 A.mg k +R B.mg 2k +R C.2 3mg 3k +R D. 3mg 3k +R 答案 D 解析 以 A 球为研究对象,小球受三个力:重力、弹力和碗的支持力如图所示,由平衡条件, 得到:tan θ=mg kx 解得:x= mg ktan θ 根据几何关系得:cos θ= 1 2 R R =1 2 ,则 tan θ= 3,所以 x= mg ktan θ = 3mg 3k 故弹簧原长 x0= 3mg 3k +R,故 D 正确. 7.如图 7(a)所示,两段等长细绳将质量分别为 2m、m 的小球 A、B 悬挂在 O 点,小球 A 受到 水平向右的恒力 F1 的作用、小球 B 受到水平向左的恒力 F2 的作用,当系统处于静止状态时, 出现了如图(b)所示的状态,小球B刚好位于O点正下方.则F1与F2的大小关系正确的是( ) 图 7 A.F1=4F2 B.F1=3F2 C.F1=2F2 D.F1=F2 答案 A 解析 A 受到水平向右的力 F1,B 受到的水平向左的力 F2,以整体为研究对象,分析受力如图 甲: 设 OA 绳与竖直方向的夹角为α,则由平衡条件得:tan α= F1-F2 2mg+mg ① 以 B 球为研究对象,受力如图乙,设 AB 绳与竖直方向的夹角为β,则由平衡条件得:tan β =F2 mg ② 由几何关系得到:α=β ③ 联立①②③解得:F1=4F2 8.如图 8 所示,置于地面的矩形框架中用两细绳拴住质量为 m 的小球,绳 B 水平.设绳 A、B 对球的拉力大小分别为 F1、F2,它们的合力大小为 F.现将框架在竖直平面内绕左下端缓慢旋 转 90°,在此过程中( ) 图 8 A.F1 先增大后减小 B.F2 先增大后减小 C.F 先增大后减小 D.F 先减小后增大 答案 B 解析 对小球受力分析如图所示: 小球处于静止状态,受力平衡,两绳的拉力的合力与重力大小相等、方向相反,则 F 不变, 根据平行四边形定则可知,将框架在竖直平面内绕左下端缓慢旋转 90°的过程中,F1 逐渐减 小,F2 先增大后减小,当绳 A 处于水平方向时,F2 最大,故 B 正确. 9.如图 9 所示,两个带有同种电荷的小球 m1、m2,用绝缘细线悬挂于 O 点,若 q1>q2,L1>L2, 平衡时两球到过 O 点的竖直线的距离相等,则( ) 图 9 A.m1>m2 B.m1=m2 C.m1q2,L1>L2,但两者的库仑力大小相等,则有m1g F1 =m2g F2 由于 F1=F2, 所以 m1=m2,故 B 正确,A、C、D 错误. 10.(多选)如图 10 所示,倾角为 30°的斜面体静止在水平地面上,轻绳一端连着斜面上的物 体 A(轻绳与斜面平行),另一端通过两个滑轮相连于天花板上的 P 点.动滑轮上悬挂质量为 m 的物块 B,开始时悬挂动滑轮的两绳均竖直.现将 P 点缓慢向右移动,直到动滑轮两边轻绳的 夹角为 90°时,物体 A 刚好要滑动.假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,物体 A 与斜面间的 动摩擦因数为 3 3 .整个过程斜面体始终静止,不计滑轮的质量及轻绳与滑轮的摩擦.下列说法 正确的是( ) 图 10 A.物体 A 的质量为 2 2 m B.物体 A 受到的摩擦力一直增大 C.地面对斜面体的摩擦力水平向左并逐渐减小 D.斜面体对地面的压力逐渐减小 答案 AB 解析 同一条绳子上的拉力相等,对 B 受力分析,当两条绳子的夹角为 90°时,绳子的拉力 为 FT=mgsin 45°= 2 2 mg,对 A 受力分析,在沿斜面方向上有:A 受到沿斜面向下的最大静 摩擦力,重力沿斜面向下的分力和绳子的拉力,故有 mAgsin 30°+Ffm=FT,Ffm=μmAgcos 30°, 解得 mA= 2 2 m,A 正确;当两个轻绳都是竖直方向时,绳子的拉力最小,此时 mAgsin 30°<1 2 mg, 所以刚开始静摩擦力方向沿斜面向下,故 mAgsin 30°+Ff=FT,随着 FT 的增大,摩擦力在增 大,B 正确;将斜面体和 A 以及 B 看做一个整体,受到最右边绳子的拉力作用,并且每条绳 子在竖直方向上的分力恒等于 1 2 mg 故有 Ff=1 2 mgtan θ 2 ,随着θ的增大,摩擦力在增大,C 错误;对斜面体分析,受左边绳子斜 向下的拉力,这个拉力在竖直方向上的分力恒等于 1 2 mg,所以斜面体对地面的压力恒定不变, D 错误. 11.图 11 中工人在推动一台割草机,施加的力大小为 100 N,方向与水平地面成 30°角斜向 下,g 取 10 m/s2. 图 11 (1)若割草机重 300 N,则它作用在地面上向下的压力为多大? (2)若工人对割草机施加的作用力与图示反向,力的大小不变,则割草机作用在地面上向下的 压力又为多大? (3)割草机割完草后,工人用最小的拉力拉它,使之做匀速运动,已知这个最小拉力为 180 N, 则割草机与地面间的动摩擦因数μ及最小拉力与水平方向夹角α为多少? 答案 (1)350 N (2)250 N (3)0.75 37° 解析 工人对割草机施加的作用力沿竖直方向的分力为 50 N. (1)当工人斜向下推割草机时,在竖直方向上有: FN1=G+Fsin 30° 解得:FN1=350 N. 由牛顿第三定律知,割草机对地面的压力为 350 N. (2)当工人斜向上拉割草机时,在竖直方向上有: FN2+Fsin 30°=G 解得:FN2=250 N 由牛顿第三定律知,割草机对地面的压力为 250 N. (3)由平衡条件知,在水平方向上:Fcos α=μFN, 在竖直方向上有:FN+Fsin α=G 联立可得: F= μG cos α+μsin α = μG 1+μ2sin α+φ ,tan φ= 1 μ 所以当α+φ=90°,即 tan α=μ时,F 有最小值: Fmin= μG 1+μ2 代入数据可得:μ=0.75,α=37°. 12.如图 12 所示,水平面上有一个倾角为θ=30°的斜劈,质量为 m.一个光滑小球,质量也 为 m,用绳子悬挂起来,绳子与斜面的夹角为α=30°,整个系统处于静止状态. 图 12 (1)求出绳子的拉力 FT; (2)若地面对斜劈的最大静摩擦力 Ffm 等于地面对斜劈的支持力的 k 倍,为了使整个系统始终 保持静止,k 值必须满足什么条件? 答案 (1) 3 3 mg (2)k≥ 3 9 解析 (1)对小球受力分析,如图甲所示,由平衡条件得: mgsin θ-FTcos α=0,解得 FT= 3 3 mg. (2)对斜劈和小球组成的整体受力分析,如图乙所示,由平衡条件得: 水平方向:FTcos(θ+α)-Ff=0 竖直方向:FN2+FTsin(θ+α)-2mg=0 又 Ff≤Ffm=kFN2 联立各式解得 k≥ 3 9 .
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