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  • 2021-05-26 发布

【物理】2020届一轮复习人教版受力分析共点力的平衡学案

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受力分析共点力的平衡 ‎[基础知识·填一填]‎ ‎[知识点1]受力分析 ‎1.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,并画出受力示意图的过程.‎ ‎2.受力分析的一般顺序 先分析场力(重力、电场力、磁场力),再分析接触力(弹力、摩擦力),最后分析其他力.‎ 判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”.‎ ‎(1)对物体受力分析时,只能画该物体受到的力,其他物体受到的力不能画在该物体上.(√)‎ ‎(2)物体沿光滑斜面下滑时,受到重力、支持力和下滑力的作用.(×)‎ ‎(3)对物体进行受力分析时不用区分外力与内力,两者都要同时分析.(×)‎ ‎[知识点2]共点力的平衡 ‎1.共点力 作用于物体的同一点或作用线(或延长线)交于一点的力.‎ ‎2.平衡状态 物体处于静止状态或匀速直线运动状态.‎ ‎3.共点力的平衡条件 ‎(1)F合=0或者.‎ ‎(2)平衡条件的推论 ‎①二力平衡:如果物体在两个共点力的作用下处于平衡状态,这两个力必定大小相等,方向相反.‎ ‎②三力平衡:如果物体在三个共点力的作用下处于平衡状态,其中任何一个力与其余两个力的合力大小相等,方向相反;并且这三个力的矢量可以形成一个封闭的矢量三角形.‎ ‎③多力平衡: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.‎ 判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”.‎ ‎(1)物体的速度为零即处于平衡状态.(×)‎ ‎(2)物体处于平衡状态时,其加速度一定为零.(√)‎ ‎(3)物体受两个力处于平衡状态,这两个力必定等大反向.(√)‎ ‎(4)物体处于平衡状态时,其所受的作用力必定为共点力.(×)‎ ‎(5)若三个力F1、F2、F3平衡,若将F1转动90°时,三个力的合力大小为F1.(√)‎ ‎(6)物体在缓慢运动时所处的状态可看作不平衡状态.(×)‎ ‎[教材挖掘·做一做]‎ ‎1.(人教版必修1 P83图4.5-8改编)如图所示,给物体m一个初速度后,物体沿粗糙斜面向上滑动,在向上滑动的过程中,关于物体受到的力,下列说法中正确的是()‎ A.受重力、沿斜面向上的冲力、斜面的支持力 B.受重力、沿斜面向上的冲力、沿斜面向下的滑动摩擦力 C.受重力、斜面的支持力、沿斜面向下的滑动摩擦力 D.受重力、斜面的支持力、沿斜面向上的冲力、沿斜面向下的滑动摩擦力 解析:C[有质量的物体必定受到重力的作用,物体在重力作用下要压紧斜面,故斜面与物体之间必定产生弹力作用;斜面不光滑,所以物体还受到斜面对它的滑动摩擦力的作用,物体沿斜面向上运动时不受向上的冲力,因为找不到冲力的施力物体,故选项C正确,A、B、D错误.]‎ ‎2.(人教版必修1 P84第7题改编)如图所示,两个等大、反向的水平力F分别作用在物体A和B上,A、B两物体均处于静止状态.若各接触面与水平地面平行,则A、B两物体各受几个力(假设水平地面光滑)()‎ A.3个,4个 B.4个,4个 C.4个,5个 D.4个,6个 答案:C ‎3.(人教版必修1 P88例题1改编)如图所示,质量均可忽略的轻绳与轻杆承受弹力的最大值一定,杆的A端用铰链固定,光滑轻小滑轮在A点正上方,B端吊一重物G,现将绳的一端拴在杆的B端,用拉力F将B端缓慢上拉,在AB杆达到竖直前(均未断).关于绳子的拉力F和杆受的弹力FN的变化,判断正确的是()‎ A.F变大 B.F变小 C.FN变大 D.FN变小 解析:B[设物体的重力为G,以B点为研究对象,分析受力情况,作出受力分析图如图所示:作出力FN与F的合力F2,根据平衡条件得知,F2=F1=G.由△F2FNB∽△OBA得=,解得FN=G,式中AB、OA、G不变,则FN保持不变,C、D错误;由△F2FNB∽△OBA得=,OB减小,则F一直减小,A错误,B正确.]‎ ‎4.(人教版必修1 P91第1题改编)如图所示,细绳一端与光滑小球连接,另一端系在竖直墙壁上的A点,在缩短细绳小球缓慢上移的过程中,细绳对小球的拉力F、墙壁对小球的弹力FN的变化情况为()‎ A.F、FN都不变 B.F变大、FN变小 C.F、FN都变大 D.F变小,FN变大 解析:C[以小球为研究对象,受力分析如图,设绳子与墙的夹角为θ,由平衡条件得:F=,FN=mgtan θ,把绳的长度减小,θ增加,cos θ减小,tan θ增大,则得到F和FN都增大,故选C.]‎ 考点一物体的受力分析 ‎[考点解读]‎ 受力分析的方法步骤 ‎ [典例赏析]‎ ‎[典例1](2019·天水模拟)如图所示,矩形物块A和楔形物块B、C叠放在水平地面上,B物块上表面水平.水平向左的力F作用在B物块上,整个系统处于静止状态,则以下说法正确的是()‎ A.物块A的受力个数为4个 B.物块B的受力个数为4个 C.地面对物块C的支持力小于三者重力之和 D.地面对物块C的摩擦力大小等于F,方向水平向右 ‎[审题指导]1.分析A、B的受力时应分别以A、B为研究对象.‎ ‎2.分析地面对C的摩擦力、支持力时应以A、B、C整体为研究对象.‎ ‎[解析]D[对A进行受力分析,根据平衡条件知A只受重力和支持力2个力的作用,选项A错误;对B进行受力分析,有重力、压力、C施加的垂直斜面斜向上的支持力、拉力F,根据平衡条件还有C施加的平行斜面斜向上的摩擦力,共5个力的作用,选项B错误;以A、B、C整体为研究对象进行受力分析,根据平衡条件知地面对物块C的支持力等于三者重力之和,选项C错误;对A、B、C整体进行受力分析,根据平衡条件知地面对物块C的摩擦力大小等于F,方向水平向右,选项D正确.]‎ 受力分析的四种方法 整体法 将加速度相同的几个相互关联的物体作为一个整体进行受力分析 隔离法 将所研究的对象从周围的物体中分离出来,单独进行受力分析 假设法 在受力分析时,若不能确定某力是否存在,可先对其作出存在的假设,然后分析该力存在对物体运动状态的影响来判断该力是否存在 动力学 分析法 对加速运动的物体进行受力分析时,应用牛顿运动定律进行分析求解 ‎[题组巩固]‎ ‎1.(2019·张掖模拟)如图所示,桌面上固定一个光滑竖直挡板,现将一个长方形物块A与截面为三角形的垫块B叠放在一起,用水平外力F缓缓向左推动B,使A缓慢升高,设各接触面均光滑,则该过程中()‎ A.A和B均受三个力作用而平衡 B.B对桌面的压力越来越大 C.A对B的压力越来越小 D.推力F的大小恒定不变 解析:D[A受到重力、挡板的弹力和B的支持力三个力,B受到重力、A的压力、地面的支持力和推力F四个力,故A错误;当B向左移动时,B对A的支持力和挡板对A的支持力方向均不变,根据平衡条件知,这两个力大小保持不变,则A对B的压力也保持不变,对整体受力分析如图所示,由平衡条件知,F=FN1,挡板对A的支持力FN1不变,则推力F不变,桌面对整体的支持力FN=G总,保持不变,则B对桌面的压力不变,故B、C错误,D正确.]‎ ‎2.(多选)如图所示,质量分别为mA、mB的A、B两个楔形物体叠放在一起,B靠在竖直墙壁上,在水平力F的作用下,A、B静止不动,则()‎ A.A物体受力的个数可能为3‎ B.B受到墙壁的摩擦力方向可能向上,也可能向下 C.力F增大(A、B仍静止),A对B的压力也增大 D.力F增大(A、B仍静止),墙壁对B的摩擦力也增大 解析:AC[隔离A物体,若A、B间没有静摩擦力,则A受重力、B对A的支持力和水平力F三个力作用,选项A正确;将A、B看做一个整体,整体在竖直方向上受到重力和摩擦力,所以墙对B的摩擦力方向只能向上,选项B错误;若F增大,则F在垂直B斜面方向的分力增大,所以A对B的压力增大,选项C正确;对A、B整体受力分析,由平衡条件知,竖直方向上有Ff=GA+GB,因此当水平力F增大时,墙壁对B的摩擦力不变,选项D错误.]‎ 考点二共点力的平衡 ‎[考点解读]‎ 解决平衡问题的基本思路 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例2](2016·全国卷Ⅲ)如图,两个轻环a和b套在位于竖直面内的一段固定圆弧上:一细线穿过两轻环,其两端各系一质量为m的小球.在a和b之间的细线上悬挂一小物块.平衡时,a、b间的距离恰好等于圆弧的半径.不计所有摩擦.小物块的质量为()‎ A. B. C.m D.‎‎2m ‎[审题指导](1)题目的“轻环”隐含环的质量不计,“不计所有摩擦”隐含所有摩擦力为0.‎ ‎(2)注意对称性的应用.‎ ‎(3)同一根绳上的拉力相等.‎ ‎[解析]C[设小物块的质量为m1.如图,由细线上的张力处处相等知F1=F2=mg,由平衡时a、b间的距离恰好等于圆弧的半径,结合几何知识知θ1=θ2=θ3=30°,α=120°;结点受力F1、F2、m‎1g,由平衡条件得m‎1g=F1=F2=mg,故m1=m,选项C正确.]‎ 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时,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 力的三 角形法 对受三力作用而平衡的物体,将力的矢量图平移,使三力组成一个首尾依次相接的矢量三角形,根据正弦定理、余弦定理或相似三角形等数学知识求解未知力 ‎[题组巩固]‎ ‎1.(2019·大连模拟)如图所示,开口向下的“”形框架,两侧竖直杆光滑固定,上面水平横杆中点固定一定滑轮,两侧杆上套着的两滑块用轻绳绕过定滑轮相连,并处于静止状态,此时连接滑块A的绳与水平方向夹角为θ,连接滑块B的绳与水平方向的夹角为2θ,则A、B两滑块的质量之比为()‎ A.1∶2cos θ B.2cos θ∶1‎ C.2sin θ∶1 D.1∶2sin θ 解析:A[设绳的拉力为FT,对两个滑块分别受力分析,如图所示,根据平衡条件得,mAg=FTsin θ,mBg=FTsin 2θ,解得==,选项A正确.]‎ ‎2.如图所示,质量为m的光滑球体夹在竖直墙和斜面体之间静止,斜面体质量也为m,倾角θ=45°,斜面体与水平地面间的动摩擦因数为μ(0.5<μ<1),斜面体与地面间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,若增加球体的质量,且使斜面体静止不动,则可增加的最大质量为()‎ A.m B. m C. m D. m 解析:C[对整体受力分析如图甲所示,斜面体与地面间的最大静摩擦力为Ffm=2μmg,对球体受力分析如图乙所示,则F1=mgtan 45°,由以上可知斜面体与地面间的静摩擦力Ff=mgtan 45°,增加球体的质量,要使斜面体静止不动,则(m+Δm)gtan 45°≤μ(‎2m+Δm)g,解得Δm≤ m,选项C正确.]‎ 考点三动态平衡及其临界和极值问题 ‎[考点解读]‎ ‎1.动态平衡问题 通过控制某些物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态,在问题的描述中常用“缓慢”等语言叙述.‎ ‎2.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.‎ ‎3.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.‎ ‎4.解决动态平衡、临界与极值问题的常用方法 ‎(1)解析法:利用物体受力平衡写出未知量与已知量的关系表达式,根据已知量的变化情况来确定未知量的变化情况,利用临界条件确定未知量的临界值.‎ ‎(2)图解法:根据已知量的变化情况,画出平行四边形的边角变化,确定未知量大小、方向的变化,确定未知量的临界值.‎ ‎[典例赏析]‎ ‎[典例3](2017·全国卷Ⅰ)(多选)如图,柔软轻绳ON的一端O固定,其中间某点M拴一重物,用手拉住绳的另一端N.初始时,OM竖直且MN被拉直,OM与MN之间的夹角为α.现将重物向右上方缓慢拉起,并保持夹角α不变.在OM由竖直被拉到水平的过程中()‎ A.MN上的张力逐渐增大 B.MN上的张力先增大后减小 C.OM上的张力逐渐增大 D.OM上的张力先增大后减小 ‎[审题指导]‎ ‎(1)本题考查动态平衡问题.‎ ‎(2)三力作用下的动态平衡一般采用图解法,多力平衡时常用解析法.‎ ‎[解析]AD[以重物为研究对象,它受三个力即重力mg、绳OM段的拉力FO、NM段的拉力FN的作用处于平衡状态.考虑到力mg不变,FO与FN的夹角不变,当FO由竖直向上变为水平向左时,作出如图所示的力矢量图,由图可知:FN一直增大,FO先增大后减小.]‎ 解决极值和临界问题的三种方法 极限法 正确进行受力分析和变化过程分析,找到平衡的临界点和极值点;临界条件必须在变化中寻找,不能在一个状态上研究临界问题,要把某个物理量推向极大或极小 数学分析法 通过对问题分析,根据平衡条件列出物理量之间的函数关系(画出函数图象),用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值)‎ 物理分析法 根据平衡条件,作出力的矢量图,通过对物理过程的分析,利用平行四边形定则进行动态分析,确定最大值和最小值 ‎[题组巩固]‎ ‎1.(2019·陕西质检)将两个质量均为m的小球a、b用细线相连后,再用细线悬挂于O点,如图所示.用力F拉小球b,使两个小球都处于静止状态,且细线Oa与竖直方向的夹角保持θ=30°,则F达到最小值时Oa线上的拉力为()‎ A.mg B.mg C.mg D.mg 解析:A[以两个小球组成的整体为研究对象,分析并作出整体的受力图,根据平衡条件得知:F与T的合力与总重力2mg总是大小相等、方向相反的,由力的合成图可知,当F与绳子Oa垂直时,F有最小值,即图中2位置,根据平衡条件得:F=2mgsin 30°=mg,T=2mgcos 30°=mg,A正确.]‎ ‎2.(2019·保定模拟)如图所示,斜面顶端固定有半径为R的轻质滑轮,用不可伸长的轻质细绳将半径为r的球沿斜面缓慢拉升.不计各处摩擦,且R>r.设绳对球的拉力为F,斜面对球的支持力为FN,则关于F和FN的变化情况,下列说法正确的是()‎ A.F一直增大,FN一直减小 B.F一直增大,FN先减小后增大 C.F一直减小,FN保持不变 D.F一直减小,FN一直增大 解析:A[小球受到三个力作用,重力G为恒力,斜面的支持力FN方向垂直斜面向上,当球沿斜面上升时,细绳的拉力F与竖直方向的夹角减小,画出受力的矢量三角形如图所示,则FN减小,F增大,A正确.]‎ ‎3.(2016·全国卷Ⅱ)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()‎ 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:A[用水平向左的力F缓慢拉动绳的中点O向左移动的过程中,作O点受力分析图如图所示,根据物体的平衡条件可得:F=mgtan θ,T=.由于O点向左移动,角θ不断增大,所以F和T都逐渐变大,选项A正确.]‎ 思想方法(五)整体法与隔离法在平衡问题中的应用 方法阐述 整体法 隔离法 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 注意 问题 进行受力分析时不需再考虑系统内物体间的相互作用 一般隔离受力较少的物体 说明 解决实际问题时常交替使用整体法与隔离法 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例](2019·新余模拟)如图所示,质量为M、半径为R的半球形物体A放在水平地面上,通过最高点处的钉子用水平轻质细线拉住一质量为m、半径为r的光滑球B,A、B均静止,则()‎ A.B对A的压力大小为mg B.细线对小球的拉力大小为mg C.A对地面的压力大小为(M+m)g D.地面对A的摩擦力大小为mg ‎[审题指导](1)审关键词:A、B均静止.‎ ‎(2)思路分析:①分析A与地面间的相互作用力应以A、B整体受力,列平衡方程求解.‎ ‎②分析A、B之间的相互作用力及B与绳子间的相互作用力应以B为研究对象受力分析,列平衡方程求解.‎ ‎ [解析]C[由于A、B处于静止状态,故其所受合外力为零,整体受力分析,如图甲所示,根据平衡条件,可得FN-(M+m)g=0,根据牛顿第三定律可知A对地面的压力大小为(M+m)g,选项C正确,D错误.隔离B受力分析,如图乙所示,根据平衡条件,由图中几何关系,可得==,解得FN′=mg,依据牛顿第三定律知:‎ 乙 B对A的压力大小为mg;细线对小球的拉力F=mg,选项A、B错误.]‎ 甲 整体法和隔离法的选用技巧 当物理情境中涉及物体较多时,就要考虑采用整体法和隔离法.‎ ‎(1)整体法 同时满足上述两个条件即可采用整体法.‎ ‎(2)隔离法 必须将物体从系统中隔离出来,单独地进行受力分析,列出方程.‎ ‎(3)整体法和隔离法的交替运用 对于一些复杂问题,比如连接体问题,通常需要多次选用研究对象,这样整体法和隔离法要交替使用.‎ ‎[题组巩固]‎ ‎1.(多选)如图所示,水平细杆上套一环A,环A与球B间用一轻质绳相连,质量分别为mA、mB,由于B球受到水平风力作用,环A与B球一起向右匀速运动.已知绳与竖直方向的夹角为θ,则下列说法中正确的是()‎ A.B球受到的风力F为mBgtan θ B.风力增大时,轻质绳对B球的拉力保持不变 C.风力增大时,杆对环A的支持力保持不变 D.环A与水平细杆间的动摩擦因数为 解析:AC[对球B受力分析可知A正确;当风力增大时,由于F拉=mBg/cos θ,θ增大,F拉增大,所以B错误;以整体为研究对象,竖直方向杆对环A的支持力与环A和B球整体受到的重力平衡,C正确;水平方向上,mBgtan θ=μ(mA+mB)g,所以D错误.]‎ ‎2.(2018·安徽名校联考)如图所示,用平行于斜面体A的轻弹簧将物块P拴接在挡板B上,在物块P上施加沿斜面向上的推力F,整个系统处于静止状态.下列说法正确的是()‎ A.物块P与斜面之间一定存在摩擦力 B.弹簧的弹力一定沿斜面向下 C.地面对斜面体A的摩擦力水平向左 D.若增大推力,则弹簧弹力一定减小 解析:C[对物块P受力分析可知,若推力F与弹簧弹力的合力平衡了物块重力沿斜面向下的分力,则无摩擦力,A错误;弹簧处于拉伸或压缩状态,物块P均可能保持静止,B错误;由整体法可知地面对斜面体A的静摩擦力平衡了推力F水平向右的分力,C正确;增大推力F,若物块保持静止,则弹簧的弹力不变,D错误.]‎