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- 2021-05-25 发布
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7 用牛顿运动定律解决问题(二)
课堂合作探究
问题导学
一、共点力的平衡条件
活动与探究 1
1.高空侦察机从起飞到 在高空匀速巡航,再到降落,最后停留在机场的停机坪上,在
这全过程中的哪些阶段,飞机是处于平衡状态?
2.讨论:(1)处于平衡状态的物体,其运动特点和受力特点各是什么?
(2)如何正确理解共点力作用下物体的平衡条件?
3.如图所示,质量为 M 的楔形物块静止在水平地面上,其斜面的倾角为θ。斜面上有一
质量为 m 的小物块,小物块与斜面之间存在摩擦。用恒力 F 沿斜面向上拉小物块,使之匀速
上滑。在小物块运动的过程中,楔形物块始终保持静止。地面对楔形物块的支持力为( )
A.(M+m)g B.(M+m)g-F
C.(M+m)g+Fsin θ D.(M+m)g-Fsin θ
迁移与应用 1
沿光滑的墙壁用网兜把一个足球挂在 A 点(如图所示),足球的质量为 m,网兜的质量
不计,足球与墙壁的接触点为 B,悬绳与墙壁的夹角为α,求悬绳对球的拉力和墙壁对球的支
持力。
处理共点力的平衡问题正确地进行受力分析是关键。当物体受三个力(不平行)而平衡
时,这三个力一定是共点力,常用以下两种方法处理问题:
(1)三角形法:这种方法主要用来解决三力平衡问题,根据平衡条件并结合力的合成或
分解的方法,把三个平衡力转化为三角形的三条边,然后通过解这个三角形求解平衡问题。
解三角形多数情况是解直角三角形。
(2)正交分解法:正交分解法在处理四力或四力以上的平衡问题时非常方便,将物体所
受各个力均在两互相垂直的方向上分解,然后分别在这两个方向上列方程,此时平衡条件可
表示为 Fx 合=0,Fy 合=0,解平衡方程。
二、超重与失重
活动与探究 2
1.人站在体重计上不动时 ,体重计的示数就显示人的体重。当人下蹲或起立过程中,
体重计的示数会发生变化。人从站立状态到完全蹲下,体重计的示数如何变化?
2.发生超重时物体的重力变化了吗?发生超重时物体可能怎样运动?
3.发生失重时物体的重力减小了吗?发生失重时物体可能怎样运动?
4.什么是完全失重?物体的重力消失了吗?
迁移与应用 2
质量为 60 kg 的人站在升降机的体重计上,如图所示,当升降机做下列各种运动时,体
重计读数是多少?(g 取 10 m/s2)
(1)升降机匀速上升。
(2)升降机以 4 m/s2 的加速度加速上升。
(3)升降机以 5 m/s2 的加速度加速下降。
(4)升降机以重力加速度 g 加速下降。
(1)当物体处于“超重”状态时,物体的重力没有增大。当物体处于“失重”状态时,
物体的重力也没有减小,当物体处于“完全失重”状态时,物体的重力并没有消失。超重和
失重仅仅是我们“看到”的重力好像发生了变化,即“视重”变了,物体的实际重力由质量
和当地重力加速度决定,并没有变化。
(2)超(失)重现象是指物体对悬挂物的拉力(或对支持物的压力)大于(小于)重力
的现象,此拉力(或支持力)即为我们所说的“视重”。
(3)“超重”“失重”现象与物体运动的速度方向和大小均无关,只决定于物体加速度
的方向,当物体具有向上的加速度时处于超重状态,具有向下的加速度时处于失重状态。
(4)只有当物体竖直方向的加速度为零时,视重大小才等于重力的大小。[来源:学,科,网 Z,X,X,K]
(5)完全失重不仅只有自由落体这一种情况,只要物体具有方向竖直向下、大小等于 g
的加速度,就处于完全失重状态。在完全失重的状态下,平常一切由于重力产生的物理现象
都完全消失,如单摆停摆、天平失效、浸在水中的物体不受浮力、液体柱不再产生向下的压
强等。
当堂检测
1.物体在共点力作用下,下列说法中正确的是( )
A.物体的速度在某一时刻等于零时,物体就一定处于平衡状态
B.物体相对另一物体保持静止时,物体一定处于平衡状态
C.物体所受合力为零时,就一定处于平衡状态
D.物体做匀加速运动时,物体处于平衡状态
2.下列实例中属于超重现象的是( )
A.汽车沿斜坡匀速行驶
B.蹦极的人到达最低点
C.跳水运动员被跳板弹起,离开跳板后向上运动
D.火箭点火后加速升空
3.(2012·广东理综)如图所示,两根等长的轻绳将日光灯悬挂在天花板上,两绳与竖直
方向的夹角都为 45°,日光灯保持水平,所受重力为 G,左右两绳的拉力大小分别为( )
A.G 和 G B. 2
2 G 和 2
2 G
C.1
2G 和 3
2 G D.1
2G 和 1
2G
4.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( )
[来源:学科网 ZXXK]
A.F= mg
tan θ B.F=mgtan θ
C.FN= mg
tan θ D.FN=mgtan θ
5.某人在地面上最多能举起 60 kg 的物体,而在一个加速下降的电梯里最多能举起 80 kg
的物体。求:
(1)此电梯的加速度为多大?
(2)若电梯以此加速度上升,则此人在电梯里最多能举起物体的质量是多少?(取 g=
10 m/s2)
答案:[来源:Z§xx§k.Com]
课堂合作探究
【问题导学】
活动与探究 1:1.答案:飞机在匀速巡航和停在停机坪上两个阶段时处于平衡状态。
2.答案:(1)处于平衡状态的物体处于静止状态或处于匀速直线运动状态,两种情况
下它们的加速度均为零。在共点力作用下物体处于平衡状态时,其合力为零,即 F 合=0。
(2)对共点力作用下物体平衡条件的理解
①共点力作用下物体的平衡条件可有两种表达式。
F 合=0 或 Fx 合=0
Fy 合=0
,其中 Fx 合和 Fy 合分别是将力进行正交分解后,物体在 x 轴和 y 轴上
所受的合力。
②由平衡条件得出的结论
a.物体在两个力作用下处于平衡状态时,则这两个力必定等大反向共线,是一对平衡力。
b.物体在三个共点力作用下处于平衡状态时,任意两个力的合力与第三个力等大反向共
线。
c.物体受 N 个共点力作用处于平衡状态时,其中任意一个力与其余(N-1)个力的合
力一定等大反向共线。[来源:Zxxk.Com]
d.当物体处于平衡状态时,沿任意方向物体所受的合力均为零。
3.D 解析:匀速上滑的小物块和静止的楔形物块都处于平衡状态,可将二者看做一个
处于平衡状态的整体。由竖直方向上受力平衡可得(M+m)g=FN+Fsin θ,则地面对楔形
物块的支持力 FN=(M+m)g-Fsin θ,D 正确。
迁移与应用 1:答案:拉力为 mg
cos α
支持力为 mgtan α
解析:物体处于三力平衡状态,可以考虑用分解法、合成法和正交分解法。
取足球为研究对象,它共受到三个力的作用。重力 G=mg,方向竖直向下;墙壁的支持
力 F1,方向水平向右;悬绳的拉力 F2,方向沿绳的方向。
这三个力一定是共点力,重力的作用点在球心 O 点,支持力 F1 沿球的半径方向。G 和
F1 的作用线必交于球心 O 点,则 F2 的作用线必过 O 点。既然是三力平衡,可以根据任意两
力的合力与第三力等大、反向求解,也可以根据力的三角形法则求解,也可用正交分解法求
解。
解法一:用合成法
取足球为研究对象,它受重力 G=mg、墙壁的支持力 F1 和悬绳的拉力 F2 三个共点力作
用而平衡,由共点力平衡的条件可知,F1 和 F2 的合力 F 与 G 大小相等、方向相反,即 F=G,
从图中力的平行四边形可求得:
F1=Ftan α=mgtan α
2 = =cos cos
F mgF
解法二:用分解法取足球为研究对象,其受重力 G、墙壁支持力 F1、悬绳的拉力 F2,如
图所示。将重力 G 分解为 F1′和 F2′,由共点力平衡条件可知,F1 与 F1′的合力必为零,F2 与
F2′的合力也必为零,所以
F1=F1′=mgtan α
F2=F2′= mg
cos α
解法三:用正交分解法求解
取足球为研究对象,受三个力作用,重力 G、墙壁的支持力 F1、悬绳拉力 F2,如图所示,
取水平方向为 x 轴,竖直方向为 y 轴,将 F2 分别沿 x 轴和 y 轴方向进行分解。由平衡条件可
知,在 x 轴和 y 轴方向上的合力 Fx 合和 Fy 合应分别等于零,即 Fx 合=F1-F2sin α=0①
Fy 合=F2cos α-G=0②
由②式解得:F2= G
cos α
= mg
cos α
代入①式得 F1=F2sin α=mgtan α
活动与探究 2:1.答案:人在下蹲的过程中,重心下移,即向下做先加速后减速的运动,
加速度的方向先向下后向上,所以人先处于失重再处于超重状态最后处于平衡状态,体重计
的示数先减小后增大再减小到重力 G。
2.答案:(1)当物体具有向上的加速度时,物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)
大于物体本身重力的现象称为超重,物体的重力并没有发生变化。
(2)物体可能有两种运动情形:①系统向上做加速运动,②系统向下做减速运动,这两
种情况中,加速度的方向均向上。根据牛顿第二定律,发生超重时:物体所受支持力(或拉
力)F=mg+ma。
3.答案:(1)当物体具有向下的加速度,物体对支持物的压力(或对悬挂物的拉力)
小于物体本身重力的现象称为失重。物体的重力并没有减小。
(2)物体可能有两种运动情形:①系统向上做减速运动②系统向下做加速运动,这两种
情况中,加速度的方向均向下。根据牛顿第二定律,发生失重时;物体所受支持力(或拉力)
F=mg-ma。
4.答案:(1)当物体向下的加速度 a 等于重力加速度 g 时,物体处于完全失重状态。
根据牛顿第二定律,处于完全失重状态时,物体所受支持力(或拉力)F=mg-mg=0。
(2)此时物体所受的重力并没有变化,只是对支持物的压力(或悬挂物的拉力)等于零。
迁移与应用 2:答案:(1)600 N (2)840 N (3)300 N (4)0
解析:以人为研究对象进行受力分析,如图所示,由牛顿第三定律可知,人受到的支持
力跟人对体重计的压力大小相等,所以体重计的读数即为支持力的大小。
(1)匀速上升时,a=0,则 F-mg=0,故 F=mg=600 N。
(2)加速上升时,取向上为正方向,则 F-mg=ma,故
F=mg+ma=(60×10+60×4)N=840 N。
(3)加速下降时,取向下为正方向,则 mg-F=ma,故[来源:学.科.网 Z.X.X.K]
F=mg-ma=(60×10-60×5)N=300 N。
(4)a=g 向下时,取向下为正方向,则 mg-F=ma,故 F=0(人处于完全失重状态)。
【当堂检测】
1.C 2.BD 3.B 4.A
5.答案:(1)2.5 m/s2 (2)48 kg
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