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  • 2021-05-13 发布

高考复习——力物体的平衡典型例题复习

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一、力 物体的平衡 一、知识网络 力 力的基本概念 定义 要素 效果 力物体间的相互作用 重力 弹力 摩擦力 改变运动状态 形 变 力的图示 转动 平动 外力作用形 式:拉压、 弯曲、扭转 恢复:弹性 形变、非弹 性形变 按作用方式 按性质分 影 响 显 示 表示 牛顿第三定律 力的分类 按研究系统 按效果分 接触力、场力 产生原因 作用效果 内力、外力 力的运算 平行四边形法则 力的合成 力的分解 按效果分 正交分解 常见三种力 大小 方向 作用点 静摩擦力 滑动摩擦力 1、力:力是物体对物体的作用。 ⑴力是一种作用,可以通过直接接触实现(如弹力、摩擦力),也可以通过场来实现(重 力、电场力、磁场力) ⑵力的性质:物质性(力不能脱离物体而独立存在);相互性(成对出现,遵循牛顿第 三定律);矢量性(有大小和方向,遵从矢量运算法则);效果性(形变、改变物体运动 状态,即产生加速度) ⑶力的要素:力的大小、方向和作用点称为力的三要素,它们共同影响力的作用效果。 力的描述:描述一个力,应描述力的三要素,除直接说明外,可以用力的图示和力的示 意图的方法。 ⑷力的分类:按作用方式,可分为场力(重力、电场力)、接触力(弹力、摩擦力);接 效果分,有动力、阻力、牵引力、向心力、恢复力等;接性质分,有重力、弹力、摩擦 力、分子力等;按研究系统分,内力、外力。 2、重力:由于地球吸引,而使物体受到的力。 (1)重力的产生:由于地球的吸引而使物体受到的力叫重力。 (2)重力的大小:G=mg,可以用弹簧秤测量,重力的大小与物体的速度、加速度无关。 (3)重力的方向:竖直向下。 (4)重心:重力的作用点。重心的测定方法:悬挂法。重心的位置与物体形状的关系: 质量分布均匀的物体,重心位置只与物体形状有关,其几何中心就是重心;质量分布不均匀 的物体,其重心的位置除了跟形状有关外,还跟物体的质量分布有关。 3、弹力 (1)弹力的产生:发生弹性形变的物体,由于要恢复原来的形状,对跟它接触的物体产 生力的作用,这种力叫弹力。 (2)产生的条件:两物体要相互接触;发生弹性形变。 (3)弹力的方向:①压力、支持力的方向总是垂直于接触面。 ②绳对物体的拉力总是沿着绳收缩的方向。 ③杆对物体的弹力不一定沿杆的方向。如果轻直杆只有两个端点受力 而处于平衡状态,则轻杆两端对物体的弹力的方向一定沿杆的方向。 例题:如图所示,光滑但质量分布不均的小球的球心在 O,重心在 P,静止在竖 直墙和桌边之间。试画出小球所受弹力。 解析:由于弹力的方向总是垂直于接触面,在 A 点,弹力 F1 应该垂直于球面所 以沿半径方向指向球心 O;在 B 点弹力 F2 垂直于墙面,因此也沿半径指向球心 O。 注意弹力必须指向球心,而不一定指向重心。又由于 F1、F2、G 为共点力, 重力的作用线必须经过 O 点,因此 P 和 O 必在同一竖直线上,P 点可能在 O 的正上方(不稳 定平衡),也可能在 O 的正下方(稳定平衡)。 例题: 如图所示,重力不可忽略的均匀杆被细绳拉住而静止,试画出杆所受的 弹力。 解析:A 端所受绳的拉力 F1 沿绳收缩的方向,因此沿绳向斜上方;B 端所受的弹 力 F2 垂直于水平面竖直向上。 由于此直杆的重力不可忽略,其两端受的力可能不沿杆的方向。 二、画龙点睛 概念 F2 A P OF1 B F1 F2 A B 杆受的水平方向合力应该为零。由于杆的重力 G 竖直向下,因此杆的下端一定还受到向 右的摩擦力 f 作用。 例题: 图中 AC 为竖直墙面,AB 为均匀横梁,其重为 G,处于水平位置。BC 为支持横梁的轻杆,A、 B、C 三处均用铰链连接。试画出横梁 B 端所受弹 力的方向。 解析:轻杆 BC 只有两端受力,所以 B 端所受压力沿杆向斜下方,其反作用 力轻杆对横梁的弹力 F 沿轻杆延长线方向斜向上方。 (4)弹力的大小:对有明显形变的弹簧、橡皮条等物体,弹力的大小可 以由胡克定律计算。对没有明显形变的物体,如桌面、绳子等物体,弹力大 小由物体的受力情况和运动情况共同决定,根据运动情况,利用平衡条件或 动力学规律来计算。 胡克定律:在弹性限度内,弹簧的弹力与弹簧的伸长(或收缩)的长度 x 成正比,F=kx,k 是劲度系数。除此之外,一般物体的弹力大小,就需 例题:如图所示,两物体重分别为 G1、G2,两弹簧劲度分别为 k1、k2,弹簧两端与物体和地 面相连。用竖直向上的力缓慢向上拉 G2,最后平衡时拉力 F=G1+2G2,求该过程系统重力势能 的增量。 解析:关键是搞清两个物体高度的增量Δh1 和Δh2 跟初、末状态两根 弹簧的形变量Δx1、Δx2、Δx1 /、Δx2 /间的关系。 无拉力 F 时 Δx1=(G1+G2)/k1,Δx2= G2/k2,(Δx1、Δx2 为压缩量) 加拉力 F 时 Δx1 /=G2/k1,Δx2 /= (G1+G2) /k2,(Δx1 /、Δx2 /为伸长量) 而Δh1=Δx1+Δx1 /,Δh2=(Δx1 /+Δx2 /)+(Δx1+Δx2) 系统重力势能的增量ΔEp= G1 Δh1+G2 Δh2 整理后可得:          2 2 1 21 21 2 k G k GGGGEP 4、摩擦力 (1)摩擦力的产生;两个相互接触的物体,有相对运动趋势(或相对运动)时产生摩擦 力。 (2)作用效果:总是要阻碍物体间的相对运动(或相对运动趋势)。 (3)产生的条件:接触面粗糙;相互接触且挤压;有相对运动(或相对运动趋势)。 (4)摩擦力的方向:总是与物体的相对运动方向(或相对运动趋势方向)相反。 (5)摩擦力的大小:静摩擦力的大小与外力的变化有关,而与正压力无关,要计算静摩 擦力,就需根据物体的运动状态,利用平衡条件或动力学规律来计算求解,其可能的取值范 围是 0<Ff≤Fm;滑动摩擦力的大小与正压力成正比,即 F=μFN,其中的 FN 表示正压力,不 一定等于重力 G;μ为动摩擦因数,与接触面的材料和状况有关。 例题:如图所示,用跟水平方向成α角的推力 F 推重量为 G 的木块沿天 花板向右运动,木块和天花板间的动摩擦因数为μ,求木块所受的摩擦 力大小。 解析:由竖直方向合力为零可得 FN=Fsinα-G,因此有:f =μ(Fsinα -G) 例题:如图所示,A、B 为两个相同木块,A、B 间最大静摩擦力 Fm=5N,水平面光滑。拉力 F 至少多大,A、B 才会相对滑动? F A B C G1 Δx2 k2 G2 Δx1 Δx1/ Δx2/ k1 F G1 G 2 k2 k1 FA B α F G G F F1 F2 f F N α F1 F2 F O F1 F2 F O 解析:A、B 间刚好发生相对滑动时,A、B 间的相对运动状态处于一个临界状态,既可以认 为发生了相对滑动,摩擦力是滑动摩擦力,其大小等于最大静摩擦力 5N,也可以认为还没 有发生相对滑动,因此 A、B 的加速度仍然相等。分别以 A 和整体为对象,运用牛顿第二定 律,可得拉力大小至少为 F=10N (研究物理问题经常会遇到临界状态。物体处于临界状态时,可以认为同时具有两个状态下 的所有性质。) 例题: 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。 解析:物体受的滑动摩擦力的始终和小车的后壁平行,方向竖直向上,而物 体的运动轨迹为抛物线,相对于地面的速度方向不断改变(竖直分速度大小 保持不变,水平分速度逐渐增大),所以摩擦力方向和运动方向间的夹角可 能取 90°和 180°间的任意值。 5、矢量和标量 (1)在物理学中物理量有两种:一是矢量(即既有大小,又有方向的物理量),如力、位 移、加速度等;另一种是标量(只有大小,没有方向的物理量),如体积、路程、功、能等。 (2)矢量的合成均遵循平行四边形法则,而标量的运算则用代数加减。 (3)一直线上的矢量合成,可先规定正方向,与正方向相同的矢量方向均为正,与之相 反则为负,然后进行加减。 6、力的合成 (1)一个力如果产生的效果与几个力共同作用所产生的效果相同,这个力就叫做那几个 的合力,而那几个力就叫做这个力的分力,求几个力的合力叫力的合成。 (2)力的合成遵循平行四边形法则,如求两个互成角度的共点力 F 1 、F 2 的合力,可以 把表示 F 1 、F 2 的线段作为邻边,作一平行四边形,它的对角线即表示合力的大小和方向。 (3)共点的两个力 F 1 、F 2 的合力 F 的大小,与两者的夹角有关,两个分力同向时合力 最大,反向时合力最小,即合力的取值范围为 2121 FFFFF  。 7、力的分解 (1)由一个已知力求解它的分力叫力的分解。 (2)力的分解是力的合成的逆过程,也同样遵循平行四边形法则。 (3)由平行四边形法则可知,力的合成是唯一的,而力的分解则可能多解。但在处理实 际问题时,力的分解必须依据力的作用效果,答案同样是唯一的。 (4)把力沿着相互垂直的两个方向分解叫正交分解。如果物体受到多个力的共同作用时, 一般常用正交分解法,将各个力都分解到相互垂直的两个方向上,然后分别沿两个方向上求 解。 平行四边形定则实质上是一种等效替换的方法。一个矢量(合矢量)的作用效果和另外 几个矢量(分矢量)共同作用的效 果相同,就可以用这一个矢量代替 那几个矢量,也可以用那几个矢量 代替这一个矢量,而不改变原来的 作用效果。 av 相对 A B v a 由三角形定则还可以得到一个有用的推论:如果 n 个力首尾相接组成一个封闭多边形, 则这 n 个力的合力为零。 在分析同一个问题时,合矢量和分矢量不能同时使用。也就是说,在分析问题时,考虑 了合矢量就不能再考虑分矢量;考虑了分矢量就不能再考虑合矢量。 矢量的合成分解,一定要认真作图。在用平行四边形定则时,分矢量和合矢量要画成带 箭头的实线,平行四边形的另外两个边必须画成虚线。各个矢量的大小和方向一定要画得合 理。在应用正交分解时,两个分矢量和合矢量的夹角一定要分清哪个是大锐角,哪个是小锐 角,不可随意画成 45°。 例题: A 的质量是 m,A、B 始终相对静止,共同沿水平面向右运动。当 a1=0 时和 a2=0.75g 时,B 对 A 的作用力 FB 各多大? 解析:一定要审清题:B 对 A 的作用力 FB 是 B 对 A 的支持力和摩擦力的合力。 而 A 所受重力 G=mg 和 FB 的合力是 F=ma。 当 a1=0 时,G 与 FB 二力平衡,所以 FB 大小为 mg,方向竖直向上。 当 a2=0.75g 时,用平行四边形定则作图:先画出重力(包括大小和方向),再画出 A 所受合力 F 的大小和方向,再根据平行四边形定则画出 FB。由已知可得 FB 的大小 FB=1.25mg,方向与竖直方向成 37o 角斜向右上方。 例题: 轻绳 AB 总长 l,用轻滑轮悬挂重 G 的物体。绳能承受的最大拉力是 2G,将 A 端 固定,将 B 端缓慢向右移动 d 而使绳不断,求 d 的最大可能值。 解析:以与滑轮接触的那一小段绳子为研究对象,在任何一个平衡位 置都在滑轮对它的压力(大小为 G)和绳的拉力 F1、F2 共同作用下静 止。而同一根绳子上的拉力大小 F1、F2 总是相等的,它们的合力 N 是 压力 G 的平衡力,方向竖直向上。因此以 F1、F2 为分力做力的合成的 平行四边形一定是菱形。利用菱形对角线互相垂直平分的性质,结合 相似形知识可得 d∶l = 15 ∶4,所以 d 最大为 l4 15 8、两个力的合力与两个力大小的关系 两力同向时合力最大:F=F 1 +F 2 ,方向与两力同向; 两力方向相反时,合力最小:F= 21 FF  ,方向与两力较大者同向; 两力成某一角度θ时,三角形每一条边对应一个力,由几何知识知道:两边之和大于第 三边,两边之差小于第三边,即此合力的范围是 2121 FFFFF  。。 合 力 可 以 大 于 等 于 两 力 中 的 任 一 个 力 ,也 可 以 小 于 任 一 个 力 .当 两 力 大 小 一 定 时 , 合 力 随 两 力 夹 角 的 增 大 而 减 小 , 随 两 力 夹 角 的 减 小 而 增 大 . 9、共点力平衡的几个基本概念 (1)共点力:几个力作用于一点或几个力的作用线交于一点,这几个力称为共点力。 (2)物体的平衡状态:静止(速度、加速度都等于零)、匀速直线运动、匀速转动。 (3)共点力作用下物体的平衡条件:物体所受的各力的合力为零。 G F F α A B G F1 F2 N 1、平衡条件的推论 推论(1):若干力作用于物体使物体平衡,则其中任意一个力必与其他的力的合力等大、 反向. 推论(2):三个力作用于物体使物体平衡,若三个力彼此不平行.则这三个力必共点(作 用线交于同一点). 推论(3):三个力作用于物体使物体平衡,则这三个力的作用线必构成封闭的三角形. 2、三力汇交原理:物体在作用线共面的三个非平行力作用处于平衡状态时,这三个力的作 用线必相交于一点. 3、解答平衡问题的常用方法 (1)拉密原理:如果在共点的三个力作用下物体处于平衡状态,那么各力的大小分别与 另外两个力夹角的正弦成正比,其表达式为 .sinsinsin 3 3 2 2 1 1  FFF  (2)相似三角形法. (3)正交分解法:共点力作用下物体的平衡条件(∑F=0)是合外力为零,求合力需要应用 平行四边形定则,比较麻烦,通常用正交分解法把矢量运算转化为标量运算。 4、动态平衡问题: 动态平衡问题是指通过控制某一物理量,使物体的状态发生缓慢变化,而在这变化过 程中,物体又始终处于一系列的平衡状态. 例题: 重 G 的光滑小球静止在固定斜面和竖直挡板之间。若挡板逆时针缓慢转到水平位置, 在该过程中,斜面和挡板对小球的弹力的大小 F1、F2 各如何变化? 解析:由于挡板是缓慢转动的,可以认为每个时刻小球都处于 静止状态,因此所受合力为零。应用三角形定则,G、F1、F2 三 个矢量应组成封闭三角形,其中 G 的大小、方向始终保持不变; F1 的方向不变;F2 的起点在 G 的终点处,而终点必须在 F1 所在的 直线上,由作图可知,挡板逆时针转动 90°过程,F2 矢量也逆 时针转动 90°,因此 F1 逐渐变小,F2 先变小后变大。(当 F2⊥F1, 即挡板与斜面垂直时,F2 最小) 5、物体的受力分析 ⑴明确研究对象 在进行受力分析时,研究对象可以是某一个物体,也可以是保持相对静止的若干个物体。 在解决比较复杂的问题时,灵活地选取研究对象可以使问题简洁地得到解决。研究对象确定 以后,只分析研究对象以外的物体施予研究对象的力(既研究对象所受的外力),而不分析 研究对象施予外界的力。 ⑵按顺序找力 必须是先场力(重力、电场力、磁场力),后接触力;接触力中必须先弹力,后摩擦力 (只有在有弹力的接触面之间才可能有摩擦力)。 ⑶只画性质力,不画效果力 画受力图时,只能按力的性质分类画力,不能按作用效果(拉力、压力、向心力等)画 F1 F2 G G F2 F1 规律 力,否则将出现重复。 ⑷需要合成或分解时,必须画出相应的平行四边形(或三角形) 在解同一个问题时,分析了合力就不能再分析分力;分析了分力就不能再分析合力,千 万不可重复。 例题: 如图所示,倾角为θ的斜面 A 固定在水平面上。木块 B、C 的质量分别为 M、m,始 终保持相对静止,共同沿斜面下滑。B 的上表面保持水平,A、 B 间的动摩擦因数为μ。⑴当 B、C 共同匀速下滑;⑵当 B、C 共同加速下滑时,分别求 B、C 所受的各力。 解析:⑴先分析 C 受的力。这时以 C 为研究对象,重力 G1=mg, B 对 C 的弹力竖直向上,大小 N1= mg,由于 C 在水平方向没有 加速度,所以 B、C 间无摩擦力,即 f1=0。 再分析 B 受的力,在分析 B 与 A 间的弹力 N2 和摩擦力 f2 时,以 BC 整 体为对象较好,A 对该整体的弹力和摩擦力就是 A 对 B 的弹力 N2 和摩擦力 f2,得到 B 受 4 个力作用:重力 G2=Mg,C 对 B 的压力竖直向下,大小 N1= mg, A 对 B 的弹力 N2=(M+m)gcosθ,A 对 B 的摩擦力 f2=(M+m)gsinθ ⑵由于 B、C 共同加速下滑,加速度相同,所以先以 B、C 整体为对象求 A 对 B 的弹力 N2、 摩擦力 f2,并求出 a ;再以 C 为对象求 B、C 间的弹力、摩擦力。 这里,f2 是滑动摩擦力 N2=(M+m)gcosθ, f2=μN2=μ(M+m)gcosθ 沿斜面方向用牛顿第二定律:(M+m)gsinθ-μ(M+m)gcosθ=(M+m)a 可得 a=g(sinθ-μcosθ)。B、C 间的弹力 N1、摩擦力 f1 则应以 C 为 对象求得。 由于 C 所受合力沿斜面向下,而所受的 3 个力的方向都在水平或 竖直方向。这种情况下,比较简便的方法是以水平、竖直方向建立直 角坐标系,分解加速度 a。 分别沿水平、竖直方向用牛顿第二定律: f1=macosθ,mg-N1= masinθ, 可得:f1=mg(sinθ-μcosθ) cosθ N1= mg(cosθ+μsinθ)cosθ 由本题可以知道:①灵活地选取研究对象可以使问题简化;②灵 活选定坐标系的方向也可以使计算简化;③在物体的受力图的旁边标 出物体的速度、加速度的方向,有助于确定摩擦力方向,也有助于用牛顿第二定律建立方程 时保证使合力方向和加速度方向相同。 6、物体平衡问题的一般解题步骤 (1)审清题意,选好研究对象。 (2)隔离研究对象,分析物体所受外力,画出物体受力图。 (3)建立坐标系或确定力的正方向. (4)列出力的平衡方程并解方程. (5)对所得结果进行检验和讨论. 例题: 一航天探测器完成对月球的探测任务后,在离开月球的过程中,由静止开始沿着与 月球表面成一倾斜角的直线飞行,先加速运动,再匀速运动。探测器通过喷气而获得推动力。 以下关于喷气方向的描述中正确的是 A.探测器加速运动时,沿直线向后喷气 B.探测器加速运动时,竖直向下喷气 C.探测器匀速运动时,竖直向下喷气 解析:探测器沿直线加速运动时,所受合力 F 合方向与 f2 G1+G 2 N2 θ f2 G1+G 2 N2 θ a v a θ N1 G 1 f1 v A B C θ F F G G v vF 合 运动方向相同,而重力方向竖直向下,由平行四边形定则知推力方向必须斜向上方,因此喷 气方向斜向下方。匀速运动时,所受合力为零,因此推力方向必须竖直向上,喷气方向竖直 向下。选 C 例题:重 G 的均匀绳两端悬于水平天花板上的 A、B 两点。静止时绳两端的切线方向与天花 板成α角。求绳的 A 端所受拉力 F1 和绳中点 C 处的张力 F2。 解析:以 AC 段绳为研究对象,根据判定定理,虽然 AC 所受的三个力分别作用在不同的点(如 图中的 A、C、P 点),但它们必为共点力。设它们延长线的交点为 O,用平行四边形定则作 图可得:  tan2,sin2 21 GFGF  例题:用与竖直方向成α=30°斜向右上方,大 小为 F 的推力把一个重量为 G 的木块压在粗糙竖直墙上保持静止。求墙对木块的正压力 大小 N 和墙对木块的摩擦力大小 f。 解析:从分析木块受力知,重力为 G,竖直向下,推力 F 与竖直成 30°斜向右上方,墙 对木块的弹力大小跟 F 的水平分力平衡,所以 N=F/2,墙对木块的摩擦力是静摩擦力, 其大小和方向由 F 的竖直分力和重力大小的关系而决定: 当 GF 3 2 时,f=0;当 GF 3 2 时, GFf  2 3 ,方向竖直向下;当 GF 3 2 时, FGf 2 3 , 方向竖直向上。 例题:有一个直角支架 AOB,AO 水平放置,表面粗糙, OB 竖直向下, 表面光滑。AO 上套有小环 P,OB 上套有小环 Q,两环质量均为 m, 两环由一根质量可忽略、不可伸长的细绳相连,并在某一位置平衡 (如图所示)。现将 P 环向左移一小段距离,两环再次达到平衡,那 么将移动后的平衡状态和原来的平衡状态比较,AO 杆对 P 环的支持 力 FN 和摩擦力 f 的变化情况是 A.FN 不变,f 变大 B.FN 不变,f 变小 C.FN 变大,f 变大 D.FN 变大,f 变小 解析:以两环和细绳整体为对象求 FN,可知竖直方向上始终二力平 衡,FN=2mg 不变;以 Q 环为对象,在重力、细绳拉力 F 和 OB 压力 N 作用下平衡,设细绳和竖直方向的夹角为α,则 P 环向左移的过程 中α将减小,N=mgtanα也将减小。再以整体为对象,水平方向只有 OB 对 Q 的压力 N 和 OA 对 P 环的摩擦力 f 作用,因此 f=N 也减小。 答案选 B。 F2 αF1 A B G/2 F1 F2 α G/2 C P O O Fα G mg F N α O A B P Q