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文档介绍
【物理】2020届一轮复习人教版第二章第三讲受力分析共点力的平衡学案
第三讲 受力分析 共点力的平衡 热点一 受力分析 整体法与隔离法的应用 (自主学习) 1．受力分析的定义 把指定物体(研究对象)在特定的物理环境中受到的所有外力都找出来，并画出受力示意图，这个过程就是 受力分析． 2．受力分析的一般步骤 3．整体法与隔离法 1－1.[受力分析] (2019·安徽肥东高级中学调研)如图所示，固定的斜面上叠放着 A、B 两木块，木块 A 与 B 的接触面是水平的，水平力 F 作用于木块 A，使木块 A、B 保持静止，且 F≠0.则下列描述正确的是 ( ) A．B 可能受到 3 个或 4 个力作用 B．斜面对木块 B 的摩擦力方向可能沿斜面向下 C．A 对 B 的摩擦力可能为 0 D．A、B 整体不可能受三个力作用 解析：对物体 B 受力分析，受重力，A 对 B 的压力，A 对 B 水平向左的静摩擦力，斜面对 B 垂直向上的支 持力，斜面对 B 可能有静摩擦力(当 A 对 B 向左的静摩擦力的平行斜面方向分力与重力的下滑分力平衡时 为零)，故 B 受 4 个力或者 5 个力，故 A 错误；当 A 对 B 向左的静摩擦力的平行斜面方向分力大于重力的 下滑分力时，B 物体有上滑趋势，所以受到平行斜面向下的静摩擦力，故 B 正确；对物体 A 受力分析，受 推力、重力、支持力和静摩擦力，根据平衡条件，B 对 A 的静摩擦力与推力 F 平衡，根据牛顿第三定律， A 对 B 的摩擦力水平向左，大小为 F，故 C 错误；对 AB 整体受力分析，受重力、支持力、推力，可能有静 摩擦力(当推力的平行斜面方向分力与重力的下滑分力平衡时为零)，所以可能受三个力作用，故 D错误． 答案：B 1－2.[整体法与隔离法、受力分析] a、b 两个质量相同的球用细线连接，a 球用细线挂在天花板上，b 球 放在光滑斜面上，系统保持静止，下列图示正确的是( ) 解析：对 b球受力分析，受重力、斜面对其垂直于斜面向上的支持力和细线的拉力，由于三力平衡时三个 力中任意两个力的合力与第三个力等值、反向、共线，故细线拉力应斜向右上方，故 A 图错误；再以 a、b 两个球为整体进行受力分析，受总重力、垂直斜面向上的支持力和上面细线的拉力，根据共点力平衡条件 判断上面细线的拉力方向应斜向右上方，故 C、D 图错误． 答案：B 1－3. [整体法与隔离法的应用] 如图所示，滑块 A 置于水平地面上，滑块 B 在一水平力作用下紧靠滑块 A(A、B 接触面竖直)，此时 A、B 恰好都不滑动，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，已知滑块 A、B 质量相等， 设滑块 A 与 B 间的动摩擦因数为μ1，A 与地面间的动摩擦因数为μ2，则( ) A．μ1μ2＝ 2 3 B．μ1μ2＝ 1 2 C. μ1 μ2 ＝ 1 3 D． μ1 μ2 ＝ 1 2 解析：以 A、B 为整体进行受力分析，受重力、支持力、推力和最大静摩擦力，根据平衡条件有 F＝μ2(2m)g； 再对滑块 B 进行受力分析，受推力、重力、向左的支持力和向上的最大静摩擦力，根据平衡条件，水平方 向 F＝FN，竖直方向 mg＝Ff，其中 Ff＝μ1FN，联立有 mg＝μ1F，解得μ1μ2＝ 1 2 ，故选 B. 答案：B [反思总结] 受力分析常用的三个判据 1．条件判据：不同性质的力产生条件不同，进行受力分析时最基本的判据是根据其产生条件． 2．效果判据：有时候是否满足某力产生的条件是很难判定的，可根据物体的运动状态进行分析． 3．特征判据：在有些受力情况较为复杂的情况下，我们根据力产生的条件及其作用效果仍不能判定该力 是否存在时，可从力的作用是相互的这个基本特征出发，通过判定其反作用力是否存在来判定该力是否存 在． 热点二 处理平衡问题常用的三种方法 (师生共研) 1．平衡状态：物体处于静止或匀速直线运动的状态，即 a＝0. 2．平衡条件：F 合＝0 或 Fy＝0 Fx＝0 . 3．平衡条件的推论 如果物体在多个共点力的作用下处于平衡状态，其中任何一个力与其余几个力的合力大小相等，方向相反． 4．处理平衡问题的常用方法 方法 内容 合成法 物体受三个共点力的作用而平衡，则任意两个力的合力一定与第三个力大 小相等，方向相反 分解法 物体受三个共点力的作用而平衡，将某一个力按力的效果分解，则其分力 和其他两个力满足平衡条件 正交分 解法 物体受到三个或三个以上力的作用而平衡，将物体所受的力分解为相互垂 直的两组，每组力都满足平衡条件 [典例 1] 如图所示，一条不可伸长的轻质细绳一端跨过光滑钉子 b 悬挂一质量为 m1的重物，另一端与 另一轻质细绳相连于 c 点，ac＝ l 2 ，c 点悬挂质量为 m2的重物，平衡时 ac 正好水平，此时质量为 m1的重 物上表面正好与 ac 在同一水平线上且到 b 点的距离为 l，到 a 点的距离为 5 4 l，则两重物的质量的比值 m1 m2 为 ( ) A.5 2 B．2 C.5 4 D．3 5 解析：解法一 (合成法)因 c 点处于平衡状态，所以任意两个力的合力均与第三个力大小相等，方向相反， 如图甲所示，根据平行四边形定则将力 F 与 m1g合成，则 sinθ＝ m2g m1g ，而 sinθ＝ l l2＋3l 4 2 ＝ 4 5 ，所以 m1 m2 ＝ 5 4 ，C 正确． 解法二 (分解法)因 c 点处于平衡状态，所以可在 F、m1g 方向上分解 m2g，如图乙所示，则同样有 sinθ ＝ m2g m1g ，所以 m1 m2 ＝ 5 4 ，C 正确． 解法三 (正交分解法)将倾斜绳拉力 F1＝m1g沿竖直方向和水平方向分解，如图丙所示，则 m1gsinθ＝m2g， 同样可得 m1 m2 ＝ 5 4 ，C 正确． 答案：C [反思总结] 1．平衡中的研究对象选取 (1)单个物体． (2)能看成一个物体的系统． (3)一个结点． 2．静态平衡问题的解题“四步骤” 2－1.[合成法的应用] 如图所示，在粗糙水平面上放置 A、B、C、D 四个小物块，各小物块之间由四根完 全相同的轻橡皮绳相互连接，正好组成一个菱形，∠ABC＝60°，整个系统保持静止状态．已知 D 物块所 受的摩擦力大小为 F，则 A 物块所受的摩擦力大小为( ) A. 3 3 F B．F C. 3 2 F D．2F 解析：设 A 物块所受的摩擦力大小为 Ff，每根橡皮绳的弹力为 FT，则有：2FTcos 60°＝Ff，对 D：2FTcos 30° ＝F，解得：Ff＝ 3 3 F，故 A 正确，B、C、D 错误． 答案：A 2－2.[正交分解法的应用] (2018·洛阳市高三一模)如图所示，质量为 m 的物块分别置于水平地面和倾角 为θ的固定斜面上．物体与地面、物体与斜面之间的动摩擦因数均为μ，先用与水平地面夹角为θ的推力 F1作用于物体上，使其沿地面匀速向右滑动；再改用水平推力 F2作用于物体上，使其沿斜面匀速向上滑动， 则两次推力之比 F1 F2 为( ) A. μ sinθ＋μcosθ B． μ sinθ－μcosθ C. sinθ＋μcosθ μ D． sinθ－μcosθ μ 解析：用与水平地面夹角为θ的推力 F1作用于物体上，对物体受力分析如图所示，根据平衡条件有 N1＝F1sin θ＋mg，F1cosθ＝f1，f1＝μN1，解得 F1＝ μmg cosθ－μsinθ . 用水平推力 F2作用于物体上，对物体受力分析如图所示，根据平衡条件有 N2＝F2sinθ＋mgcosθ，F2 cosθ ＝mgsinθ＋f2， f2＝μN2，解得 F2＝ mgsinθ＋μmgcosθ cosθ－μsinθ ，两次推力之比 F1 F2 ＝ μ sinθ＋μcosθ ，故 A 正确，B、C、D 错误． 答案：A 2－3.[三种方法的应用] 如图所示，光滑半球形容器固定在水平面上，O 为球心．一质量为 m 的小滑块， 在水平力 F 的作用下静止于 P 点．设滑块所受支持力为 FN，OP 与水平方向的夹角为θ.下列关系正确的是 ( ) A．F＝ mg tanθ B．F＝mgtanθ C．FN＝ mg tanθ D．FN＝mgtanθ 解析：解法一 (合成法)滑块受力如图甲，由平衡条件知： mg F ＝tanθ⇒F＝ mg tanθ ，FN＝ mg sinθ . 解法二 (效果分解法)将重力按产生的效果分解，如图乙所示，F＝G2＝ mg tanθ ，FN＝G1＝ mg sinθ . 解法三 (正交分解法)将滑块受的支持力水平、竖直分解，如图丙所示，mg＝FNsinθ，F＝FNcosθ，联立 解得：F＝ mg tanθ ，FN＝ mg sinθ . 答案：A 热点三 处理动态平衡问题的三种方法 (师生共研) 通过控制某些物理量，使物体的状态发生缓慢地变化，物体在这一变化过程中始终处于一系列的平衡状态， 这种平衡称为动态平衡．解决此类问题的基本思路是化“动”为“静”，“静”中求“动”，具体有以下 三种方法： 1．图解法 对研究对象在动态变化过程中的若干状态进行受力分析，在同一图中作出物体在若干状态下所受的力的平 行四边形(或三角形)，由各边的长度变化及角度变化来确定力的大小及方向的变化，即为图解法．它是求 解动态平衡问题的基本方法．此法的优点是能将各力的大小、方向等变化趋势形象、直观地反映出来，大 大降低了解题难度和计算强度．此法常用于求解三力平衡且有一个力是恒力、另有一个力方向不变的问题． [典例 2] (多选)(2018·湖南长郡中学段考)如图所示，带有光滑竖直杆的三角形斜劈固定在水平地面上， 放置于斜劈上的光滑小球与套在竖直杆上的小滑块用轻绳连接，开始时轻绳与斜劈平行．现给小滑块施加 一竖直向上的拉力，使小滑块沿杆缓慢上升，整个过程中小球始终未脱离斜劈，则有( ) A．轻绳对小球的拉力逐渐增大 B．小球对斜劈的压力先减小后增大 C．竖直杆对小滑块的弹力先增大后减小 D．对小滑块施加的竖直向上的拉力逐渐增大 解析：设斜面倾角为θ，斜面对小球的支持力为 FN1，绳对小球的拉力 FT，小球的重力大小为 G1，小滑块 的重力大小为 G2，竖直杆对小滑块的弹力大小为 FN2，由于小滑块沿杆缓慢上升，所以小球沿斜面缓慢向 上运动，小球处于动态平衡状态，受到的合力为零，作小球受力矢量三角形如图甲所示，绳对小球的拉力 FT逐渐增大，所以选项 A 正确； 斜面对小球的弹力 FN1逐渐减小，故小球对斜面的压力逐渐减小，故选项 B 错误；将小球和小滑块看成一 个整体，对其进行受力分析如图乙所示，则由力的平衡条件可得：FN2＝FN1sinθ，F＝G1＋G2－FN1cosθ， 因 FN1逐渐减小，所以 FN2逐渐减小，F 逐渐增大，故选项 C 错误，D 正确． 答案：AD 2．解析法 对研究对象进行受力分析，先画出受力示意图，再根据物体的平衡条件列式求解，得到因变量与自变量的 一般函数表达式，最后根据自变量的变化确定因变量的变化． [典例 3] (2018·湖南长沙市一中段考)如图所示，物块放在斜面体的斜面上，斜面体放在水平地面上，对 物块施加一沿斜面向上的力 F，现将此力沿逆时针方向缓慢转动至竖直向上，力的大小保持不变，物块和 斜面体始终保持静止，则下列说法正确的是( ) A．斜面体对物块的作用力先减小后增大 B．斜面体对物块的作用力先增大后减小 C．地面对斜面体的作用力一直增大 D．地面对斜面体的作用力一直减小 解析：对物块受力分析，受重力、拉力和斜面施加力(支持力和摩擦力的合力)，因为拉力和重力的合力变 小，故根据平衡条件，斜面体对物块的作用力变小，故 A、B 错误； 对物块和斜面体整体受力分析，受重 力、拉力和地面施加的力 (摩擦力和支持力的合力)，因为重力和拉力的合力减小，故根据平衡条件，地面对斜面体的作用力变小， 故 C 错误，D 正确． 答案：D 3．相似三角形法 在三力平衡问题中，如果有一个力是恒力，另外两个力方向都变化，且题目给出了空间几何关系，多数情 况下力的矢量三角形与空间几何三角形相似，可利用相似三角形对应边成比例进行计算． [典例 4] 如图所示是一个简易起吊设施的示意图，AC 是质量不计的撑杆，A 端与竖直墙用铰链连接，一 滑轮固定在 A 点正上方，C 端吊一重物 P.现施加一拉力 F 缓慢将重物 P 向上拉，在 AC 杆达到竖直前( ) A．BC 绳中的拉力 FT越来越大 B．BC 绳中的拉力 FT越来越小 C．AC 杆中的支撑力 FN越来越大 D．AC 杆中的支撑力 FN越来越小 解析：作出 C 点的受力示意图，如图所示，由图可知力的矢量三角形与几何三角形 ABC 相似．根据相似三 角形的性质得 FT BC ＝ FN AC ＝ G AB ，解得 BC 绳中的拉力为 FT＝GBC AB ，AC 杆中的支撑力为 FN＝GAC AB .由于重物 P 向上 运动时，AB、AC 不变，BC 变小，故 FT减小，FN不变．故 B 正确． 答案：B 热点四 平衡中的临界与极值问题 (师生共研) 1．临界问题 当某物理量变化时，会引起其他几个物理量的变化，从而使物体所处的平衡状态“恰好出现”或“恰好不 出现”，在问题的描述中常用“刚好”“刚能”“恰好”等语言叙述． 常见的临界状态有： (1)两接触物体脱离与不脱离的临界条件是相互作用力为 0(主要体现为两物体间的弹力为 0)． (2)绳子断与不断的临界条件为绳中张力达到最大值；绳子绷紧与松弛的临界条件为绳中张力为 0. (3)存在摩擦力作用的两物体间发生相对滑动或相对静止的临界条件为静摩擦力达到最大． 研究的基本思维方法：假设推理法． 2．极值问题 平衡物体的极值，一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题．一般用图解法或解析法进行分析． [典例 5] (2018·湖南雅礼中学段考)质量为 M 的木楔倾角为θ＝30°，在水平面上保持静止，质量为 m 的木块刚好可以在木楔上表面上匀速下滑，现在用与木楔上表面成α角的力 F 拉着木块匀速上滑，如图所 示，求： (1)当α为多大时，拉力 F 有最小值，求此最小值； (2)拉力 F 最小时，木楔对水平面的摩擦力． 解析：(1)木块刚好可以沿木楔上表面匀速下滑， mgsinθ＝μmgcosθ，则μ＝tanθ， 用力 F 拉着木块匀速上滑，受力分析如图所示， Fcosα＝mgsinθ＋Ff，FN＋Fsinα＝mgcosθ， Ff＝μFN解得 F＝ mgsin 2θ cosθ－α 所以，当α＝θ时，F 有最小值，Fmin＝ 3 2 mg. (2)对木块和木楔整体受力分析如图所示，由平衡条件得，f＝Fcos(θ＋α)，当拉力 F 最小时，f＝Fmin·cos 2θ ＝ 3 4 mg. 4－1.[临界极值问题] (多选)(2018·全国卷Ⅰ) 如图，一光滑的轻滑轮用细绳 OO′悬挂于 O 点；另一细绳 跨过滑轮，其一端悬挂物块 a，另一端系一位于水平粗糙桌面上的物块 b.外力 F 向右上方拉 b，整个系统 处于静止状态．若 F 方向不变，大小在一定范围内变化，物块 b 仍始终保持静止，则( ) A．绳 OO′的张力也在一定范围内变化 B．物块 b 所受到的支持力也在一定范围内变化 C．连接 a 和 b的绳的张力也在一定范围内变化 D．物块 b 与桌面间的摩擦力也在一定范围内变化 解析：因为物块 b始终保持静止，所以绳 OO′的张力不变， 连接 a 和 b 的绳的张力也不变，选项 A、C 错误；拉力 F 大小变化，F 的水平分量和竖直分量都发生变化， 由共点力的平衡条件知，物块 b受到的支持力和摩擦力在一定范围内变化，选项 B、D 正确． 答案：BD 4－2.[极值问题] 将三个质量均为 m 的小球 a、b、c 用细线相连后(b、c 间无细线相连)，再用细线悬挂于 O 点，如图所示．用力 F 拉小球 c，使三个小球都处于静止状态，且细线 Oa 与竖直方向的夹角保持为θ＝ 30°，则 F 的最小值为( ) A．mg B．2mg C.3 2 mg D． 3 2 mg 解析：静止时将三球视为一个整体，重力为 3mg，当作用于 c 球上的力 F 垂直于 Oa 时，F 最小，则 F＝3mgsin θ＝ 3 2 mg，故选 C. 答案：C 1. 如图所示，物块 a、b 的质量分别为 2m、m，水平地面和竖直墙面均光滑，在水平推力 F 作用下，两物 块均处于静止状态，则( B ) A．物块 b 受四个力作用 B．物块 b 受到的摩擦力大小等于 2mg C．物块 b 对地面的压力大小等于 mg D．物块 a 受到物块 b 的作用力水平向右 2. (2018·江苏省高三一模)质量为 m 的物块沿着倾角为θ的粗糙斜面匀速下滑，物块与斜面间的动摩擦因 数为μ.斜面对物块的作用力是( A ) A．大小 mg，方向竖直向上 B．大小 mgcosθ，方向垂直斜面向上 C．大小 mgsinθ，方向沿着斜面向上 D．大小μmgcosθ，方向沿着斜面向上 解析：对物块进行受力分析：重力 G，斜面对物块的支持力 N，摩擦力 f，斜面对物块的作用力即支持力与 摩擦力的合力，由于物块匀速下滑，所以支持力与摩擦力的合力应与重力等大反向，故 A 正确． 3. (2018·厦门市高三一模)如图所示，一个质量为 m 的滑块置于倾角为 30° 的固定粗糙斜面上，一根轻 弹簧一端固定在竖直墙上的 P 点，另一端系在滑块上的 Q 点，直线 PQ 与斜面垂直，滑块保持静止．则( A ) A．弹簧可能处于原长状态 B．斜面对滑块的摩擦力大小可能为零 C．斜面对滑块的支持力大小可能为零 D．滑块一定受到四个力作用 解析：若滑块受重力、支持力与摩擦力三者合力为零时，弹簧处于原长，对滑块没有作用力，所以 A 正确； D 错误；若摩擦力为零，滑块受支持力、重力、弹簧弹力三者合力不为零，滑块不可能静止，所以 B 错误； 若支持为零，则摩擦力也为零，滑块在重力、弹力作用下不可能处于平衡状态，所以 C 错误． 4. (2019·甘肃兰州一中月考)如图所示，一只可视为质点的蚂蚁在半球形碗内缓慢从底部爬到 a 处，则下 列说法正确的是( A ) A．在 a 点碗对蚂蚁的摩擦力大于在 b 点的摩擦力 B．在 a 点碗对蚂蚁的支持力大于在 b 点的支持力 C．在 a点碗对蚂蚁的作用力大于在 b点的作用力 D．在 a 点蚂蚁受到的合力大于在 b 点受到的合力 解析：蚂蚁缓慢上爬，可以认为蚂蚁处于平衡状态，则合力始终为零，对其受力分析，根据共点力平衡有： f＝mgsinα，N＝ mgcosα，因为 a 点的α比 b 点的大，所以在 a 点碗对蚂蚁的摩擦力大于在 b 点的摩擦 力，在 a 点碗对蚂蚁的支持力小于在 b 点的支持力，故 A 正确，B 错误；在 a 点和 b 点，碗对蚂蚁的作用 力都等于蚂蚁的重力，所以在 a点碗对蚂蚁的作用力等于在 b 点的作用力，在 a、b 两点的合力都为零， 故 C、D 错误． [A 组·基础题] 1．一超市员工用推车搬运货物，货物随推车一起沿水平地面向右做匀速直线运动．则推车对货物的作用 力( A ) A．沿竖直向上方向 B．沿斜向右上的某一方向 C．沿水平向右方向 D．沿斜向右下的某一方向 2．(多选)(2019·四川眉山一中调研)如图所示，用与竖直方向成θ角(θ<45° )的轻绳 a和与水平方向成 2θ角的轻绳 b 拉一个小球，这时绳 b 的拉力为 T1；现保持小球位置不动，使绳 b 在竖直平面内顺时针转 过θ角，绳 b的拉力变为 T2；再转过θ角，绳 b 的拉力变为 T3.则( AC ) A．T1＝T3>T2 B．T1＝T3查看更多