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2022-2023高中物理 第三章 研究物體間的相互作用 微型專題 力的合成與分解 簡單的共點(diǎn)力的平衡問題學(xué)案 粵教版必修1

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1、2022-2023高中物理 第三章 研究物體間的相互作用 微型專題 力的合成與分解 簡單的共點(diǎn)力的平衡問題學(xué)案 粵教版必修1 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.進(jìn)一步理解力的效果分解法和正交分解法.2.理解什么是平衡狀態(tài),掌握共點(diǎn)力的平衡條件.3.會用合成法或正交分解法求解平衡問題. 一、共點(diǎn)力平衡的條件及三力平衡問題 1.平衡狀態(tài):物體處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài). 2.平衡條件:合外力等于0,即F合=0. 3.推論 (1)二力平衡:若物體在兩個(gè)力作用下處于平衡狀態(tài),則這兩個(gè)力一定等大、反向. (2)三力平衡:若物體在三個(gè)共點(diǎn)力作用下處于平衡狀態(tài),則任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力等大、反向.

2、 (3)多力平衡:若物體在n個(gè)共點(diǎn)力作用下處于平衡狀態(tài),則其中任意n-1個(gè)力的合力必定與第n個(gè)力等大、反向. 例1 在科學(xué)研究中,可以用風(fēng)力儀直接測量風(fēng)力的大小,其原理如圖1所示.儀器中一根輕質(zhì)金屬絲懸掛著一個(gè)金屬球.無風(fēng)時(shí),金屬絲豎直下垂;當(dāng)受到沿水平方向吹來的風(fēng)時(shí),金屬絲偏離豎直方向一個(gè)角度.風(fēng)力越大,偏角越大.那么風(fēng)力大小F跟金屬球的質(zhì)量m、偏角θ之間有什么樣的關(guān)系呢? 圖1 答案 F=mgtan θ 解析 選取金屬球?yàn)檠芯繉ο螅艿饺齻€(gè)力的作用,如圖甲所示.金屬球處于平衡狀態(tài),這三個(gè)力的合力為零.可用以下兩種方法求解. 解法一 力的合成法 如圖乙所示,風(fēng)力F和拉力

3、FT的合力與重力等大反向,由平行四邊形定則可得F=mgtan θ. 解法二 正交分解法 以金屬球?yàn)樽鴺?biāo)原點(diǎn),取水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸,建立直角坐標(biāo)系,如圖丙所示.由水平方向的合力Fx合和豎直方向的合力Fy合分別等于零,即 Fx合=FTsin θ-F=0 Fy合=FTcos θ-mg=0 解得F=mgtan θ. 【考點(diǎn)】靜態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】三力平衡問題 物體在三個(gè)力或多個(gè)力作用下的平衡問題,一般會用到力的合成法、效果分解法或正交分解法,選用的原則和處理方法如下: 1.力的合成法——一般用于受力個(gè)數(shù)為三個(gè)時(shí) (1)確定要合成的兩個(gè)力; (2)根據(jù)平行四邊形

4、定則作出這兩個(gè)力的合力; (3)根據(jù)平衡條件確定兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力的關(guān)系(等大反向); (4)根據(jù)三角函數(shù)或勾股定理解三角形. 2.力的效果分解法——一般用于受力個(gè)數(shù)為三個(gè)時(shí) (1)確定要分解的力; (2)按實(shí)際作用效果確定兩分力的方向; (3)沿兩分力方向作平行四邊形; (4)根據(jù)平衡條件確定分力及合力的大小關(guān)系; (5)用三角函數(shù)或勾股定理解直角三角形. 3.正交分解法——一般用于受力個(gè)數(shù)為三個(gè)或三個(gè)以上時(shí) (1)建立直角坐標(biāo)系; (2)正交分解各力; (3)沿坐標(biāo)軸方向根據(jù)平衡條件列式求解. 針對訓(xùn)練1 如圖2所示,光滑半球形容器固定在水平面上,O為球心.一

5、質(zhì)量為m的小滑塊,在水平力F的作用下靜止于P點(diǎn).設(shè)滑塊所受支持力為FN,OP與水平方向的夾角為θ,下列關(guān)系正確的是(  ) 圖2 A.F= B.F=mgtan θ C.FN= D.FN=mgtan θ 答案 A 解析 方法一:合成法.滑塊受力情況如圖所示,由平衡條件知:F=,F(xiàn)N=. 方法二:正交分解法.將小滑塊受的力沿水平、豎直方向分解,如圖所示. mg=FNsin θ F=FNcos θ 聯(lián)立解得:F=,F(xiàn)N=. 二、利用正交分解法分析多力平衡問題 1.將各個(gè)力分解到x軸和y軸上,根據(jù)共點(diǎn)力平衡的條件:Fx=0,F(xiàn)y=0. 2.對x、y軸方向的選

6、擇原則是:使盡可能多的力落在x、y軸上,需要分解的力盡可能少,被分解的力盡可能是已知力. 3.此方法多用于三個(gè)或三個(gè)以上共點(diǎn)力作用下的物體平衡,三個(gè)以上共點(diǎn)力平衡一般要采用正交分解法. 例2 如圖3所示,物體的質(zhì)量m=4.4 kg,用與豎直方向成θ=37°的斜向右上方的推力把該物體壓在豎直墻壁上,并使它沿墻壁在豎直方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng).物體與墻壁間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5,取重力加速度g=10 N/kg,求推力F的大小.(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8) 圖3 答案 88 N或40 N 解析 若物體向上做勻速直線運(yùn)動(dòng),則受力如圖甲所示. Fcos θ=mg+f

7、 Fsin θ=FN f=μFN 故推力F== N=88 N 若物體向下做勻速直線運(yùn)動(dòng),受力如圖乙所示. Fcos θ+f′=mg Fsin θ=FN′ f′=μFN′ 故推力F== N=40 N 【考點(diǎn)】靜態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】多力平衡問題 針對訓(xùn)練2 (多選)如圖4所示,建筑裝修中,工人用質(zhì)量為m的磨石對斜壁進(jìn)行打磨,當(dāng)對磨石加豎直向上、大小為F的推力時(shí),磨石恰好沿斜壁向上勻速運(yùn)動(dòng),已知磨石與斜壁之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,則磨石受到的摩擦力是(  ) 圖4 A.(F-mg)cos θ B.μ(F-mg)sin θ C.μ(F-mg)cos θ D.μ(F-mg

8、) 答案 AB 【考點(diǎn)】共點(diǎn)力及平衡 【題點(diǎn)】多力平衡問題 三、利用解析法或圖解法分析動(dòng)態(tài)平衡問題 1.動(dòng)態(tài)平衡:是指平衡問題中的一部分力是變力,是動(dòng)態(tài)力,力的大小和方向均要發(fā)生變化,所以叫動(dòng)態(tài)平衡,這是力平衡問題中的一類難題. 2.基本方法:解析法、圖解法和相似三角形法. 3.處理動(dòng)態(tài)平衡問題的一般步驟 (1)解析法: ①列平衡方程求出未知量與已知量的關(guān)系表達(dá)式. ②根據(jù)已知量的變化情況來確定未知量的變化情況. (2)圖解法: ①適用情況:一般物體只受三個(gè)力作用,且其中一個(gè)力大小、方向均不變,另一個(gè)力的方向不變,第三個(gè)力大小、方向均變化. ②一般步驟:a.首先對物體

9、進(jìn)行受力分析,根據(jù)力的平行四邊形定則將三個(gè)力的大小、方向放在同一個(gè)三角形中.b.明確大小、方向不變的力,方向不變的力及方向變化的力的方向如何變化,畫示意圖. ③注意:由圖解可知,當(dāng)大小、方向都可變的分力(設(shè)為F1)與方向不變、大小可變的分力垂直時(shí),F(xiàn)1有最小值. 例3 如圖5所示,一小球放置在木板與豎直墻面之間.設(shè)墻面對小球的壓力大小為FN1,木板對小球的支持力大小為FN2.以木板與墻連接點(diǎn)為軸,將木板從圖示位置開始緩慢地轉(zhuǎn)到水平位置.不計(jì)摩擦,在此過程中(  ) 圖5 A.FN1始終減小,F(xiàn)N2始終增大 B.FN1始終減小,F(xiàn)N2始終減小 C.FN1先增大后減小,F(xiàn)N2始終減

10、小 D.FN1先增大后減小,F(xiàn)N2先減小后增大 答案 B 解析 方法一:解析法 對球進(jìn)行受力分析,如圖甲所示,小球受重力G、墻面對小球的壓力FN1、木板對小球的支持力FN2而處于平衡狀態(tài).則有tan θ==,F(xiàn)N1= 將木板從圖示位置開始緩慢地轉(zhuǎn)到水平位置過程中,θ逐漸增大,tan θ逐漸增大,故FN1始終減小. 從圖中可以看出,F(xiàn)N2=, θ逐漸增大,sin θ逐漸增大,故FN2始終減小.選項(xiàng)B正確.   方法二:圖解法 小球受重力G、墻面對小球的壓力FN1、木板對小球的支持力FN2而處于平衡狀態(tài).由平衡條件知FN1、FN2的合力與G等大反向,θ增大時(shí),畫出多個(gè)平行四邊形,

11、如圖乙,由圖可知θ增大的過程中,F(xiàn)N1始終減小,F(xiàn)N2始終減小.選項(xiàng)B正確. 【考點(diǎn)】動(dòng)態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】圖解法求動(dòng)態(tài)平衡問題 針對訓(xùn)練3 用繩AO、BO懸掛一個(gè)重物,BO水平,O為半圓形支架的圓心,懸點(diǎn)A和B在支架上.懸點(diǎn)A固定不動(dòng),將懸點(diǎn)B從圖6所示位置逐漸移動(dòng)到C點(diǎn)的過程中.分析繩OA和繩OB上的拉力的大小變化情況. 圖6 答案 繩OA的拉力逐漸減小 繩OB的拉力先減小后增大 解析 解法一 力的效果分解法 在支架上選取三個(gè)點(diǎn)B1、B2、B3,當(dāng)懸點(diǎn)B分別移動(dòng)到B1、B2、B3各點(diǎn)時(shí),對AO、BO繩的拉力分別為FTA1、FTA2、FTA3和FTB1、FTB2、F

12、TB3,如圖所示,從圖中可以直觀地看出,F(xiàn)TA逐漸變小,且方向不變;而FTB先變小,后變大,且方向不斷改變;當(dāng)FTB與FTA垂直時(shí),F(xiàn)TB最小. 解法二 合成法 將AO繩、BO繩的拉力合成,其合力與重力等大反向,逐漸改變OB繩拉力的方向,使FB與豎直方向的夾角θ變小,得到多個(gè)平行四邊形,由圖可知FA逐漸變小,且方向不變,而FB先變小后變大,且方向不斷改變,當(dāng)FB與FA垂直時(shí),F(xiàn)B最小. 【考點(diǎn)】動(dòng)態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】圖解法求動(dòng)態(tài)平衡問題 1.(三力平衡問題)用三根輕繩將質(zhì)量為m的物塊懸掛在空中,如圖7所示.已知ac和bc與豎直方向的夾角分別為30°和60°,則ac繩和bc

13、繩中的拉力分別為(  ) 圖7 A.mg,mg B.mg,mg C.mg,mg D.mg,mg 答案 A 解析 分析結(jié)點(diǎn)c的受力情況如圖, 設(shè)ac繩受到的拉力為F1、bc繩受到的拉力為F2,根據(jù)平衡條件知F1、F2的合力F與重力mg等大、反向,由幾何知識得 F1=Fcos 30°=mg, F2=Fsin 30°=mg, 選項(xiàng)A正確. 【考點(diǎn)】靜態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】三力平衡問題 2.(動(dòng)態(tài)平衡問題)如圖8所示,電燈懸掛于兩墻之間,更換水平繩OA使連接點(diǎn)A向上移動(dòng)而保持O點(diǎn)的位置不變,則A點(diǎn)向上移動(dòng)時(shí)(  ) 圖8 A.繩OA的拉力逐漸增大 B.繩OA

14、的拉力逐漸減小 C.繩OA的拉力先增大后減小 D.繩OA的拉力先減小后增大 答案 D 解析 對O點(diǎn)受力分析,如圖所示,利用圖解法可知繩OA的拉力先變小后變大,故A、B、C錯(cuò)誤,D正確. 【考點(diǎn)】動(dòng)態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】圖解法求動(dòng)態(tài)平衡問題 3.(多力平衡問題)出門旅行時(shí),在車站、機(jī)場等地有時(shí)會看見一些旅客推著行李箱,也有一些旅客拉著行李箱在地面上行走.為了了解兩種方式哪種省力,我們作以下假設(shè):行李箱的質(zhì)量為m=10 kg,拉力F1、推力F2與水平方向的夾角均為θ=37°(如圖9所示),行李箱與地面間為滑動(dòng)摩擦力.動(dòng)摩擦因數(shù)為μ=0.2,行李箱都做勻速運(yùn)動(dòng).試分別求出F1、F

15、2的大小并通過計(jì)算說明拉箱子省力還是推箱子省力.(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s2) 圖9 答案 見解析 解析 拉行李箱時(shí),對行李箱受力分析,如圖甲所示. F1cos θ=f1 F1sin θ+FN1=mg f1=μFN1 解得F1=≈21.7 N 推行李箱時(shí),對行李箱受力分析,如圖乙所示. F2cos θ=f2 FN2=F2sin θ+mg f2=μFN2 解得F2=≈29.4 N F1

16、圖1所示,兩根等長的輕繩將日光燈懸掛在天花板上,兩繩與豎直方向的夾角都為45°,日光燈保持水平,所受重力為G.則(  ) 圖1 A.兩繩對日光燈拉力的合力大小為G B.兩繩的拉力和重力不是共點(diǎn)力 C.兩繩的拉力大小分別為G和G D.兩繩的拉力大小分別為和 答案 AC 解析 如圖,兩繩拉力的作用線與重力作用線的延長線交于一點(diǎn),這三個(gè)力為共點(diǎn)力,B選項(xiàng)錯(cuò)誤;由于日光燈在兩繩拉力和重力作用下處于平衡狀態(tài),所以兩繩的拉力的合力與重力G等大反向,A選項(xiàng)正確;由于兩個(gè)拉力的夾角成直角,且都與豎直方向成45°角,則由力的平行四邊形定則可知G=,F(xiàn)1=F2,故F1=F2=G,C選項(xiàng)正確,D選

17、項(xiàng)錯(cuò)誤. 2.在如圖2所示的甲、乙、丙、丁四圖中,滑輪光滑且所受的重力忽略不計(jì),滑輪的軸O安裝在一根輕木桿P上,一根輕繩ab繞過滑輪,a端固定在墻上,b端下面掛一個(gè)質(zhì)量為m的重物,當(dāng)滑輪和重物都靜止不動(dòng)時(shí),甲、丙、丁圖中木桿P與豎直方向的夾角均為θ,乙圖中木桿P豎直.假設(shè)甲、乙、丙、丁四圖中滑輪受到木桿P的彈力的大小依次為FA、FB、FC、FD,則以下判斷正確的是(  ) 圖2 A.FA=FB=FC=FD B.FD>FA=FB>FC C.FA=FC=FD>FB D.FC>FA=FB>FD 答案 B 解析 繩上的拉力大小等于重物所受的重力mg,設(shè)滑輪兩側(cè)輕繩之間的夾角為φ

18、,滑輪受到木桿P的彈力F大小等于滑輪兩側(cè)輕繩拉力的合力大小,即F=2mgcos ,由夾角關(guān)系可得FD>FA=FB>FC,選項(xiàng)B正確. 3.如圖3所示,兩輕彈簧a、b懸掛一小鐵球處于平衡狀態(tài),a彈簧與豎直方向成30°角,b彈簧水平,a、b的勁度系數(shù)分別為k1、k2,則a、b兩彈簧的伸長量x1與x2之比為(  ) 圖3 A. B. C. D. 答案 A 解析 a彈簧的彈力FA=k1x1,b彈簧的彈力FB=k2x2,小球處于平衡狀態(tài),必有FAsin 30°=FB.即:k1x1sin 30°=k2x2,故=,A正確. 4.如圖4所示,質(zhì)量為m的小物體靜止在半徑為R的半球體上,小物

19、體與半球體間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,小物體與球心連線與水平地面的夾角為θ,則下列說法正確的是(  ) 圖4 A.小物體對半球體的壓力大小為mgcos θ B.小物體對半球體的壓力大小為mgtan θ C.小物體所受摩擦力大小為μmgsin θ D.小物體所受摩擦力大小為mgcos θ 答案 D 解析 對小物體受力分析,小物體受重力、支持力及摩擦力,三力作用下物體處于平衡狀態(tài),則合力為零,小物體對半球體的壓力FN=mgsin θ,A、B錯(cuò)誤;小物體所受摩擦力為靜摩擦力,不能用f=μFN來計(jì)算,摩擦力沿切線方向,在切線方向重力的分力與摩擦力相等,即f=mgcos θ,C錯(cuò)誤,D正確.

20、 5.如圖5所示,一個(gè)半球形的碗放在桌面上,碗口水平,O點(diǎn)為其球心,碗的內(nèi)表面及碗口是光滑的,一根細(xì)線跨在碗口上,線的兩端分別系有質(zhì)量為m1和m2的小球,當(dāng)它們處于平衡狀態(tài)時(shí),質(zhì)量為m1的小球與O點(diǎn)的連線與水平方向的夾角為α=60°,兩小球的質(zhì)量比為(  ) 圖5 A. B. C. D. 答案 A 考點(diǎn)二 利用正交分解法解決共點(diǎn)力平衡問題 6.(多選)如圖6所示,一個(gè)質(zhì)量為3.0 kg的物體,放在傾角為θ=30°的斜面上靜止不動(dòng).若用豎直向上的力F=5.0 N提物體,物體仍靜止,下述結(jié)論正確的是(g=10 m/s2)(  ) 圖6 A.物體受到的摩擦力減小2.5

21、 N B.斜面對物體的作用力減小5.0 N C.物體受到的彈力減小5.0 N D.物體受到的合外力減小5.0 N 答案 AB 解析 未施加F時(shí),對物體進(jìn)行受力分析,如圖甲所示    由平衡條件,得f=mgsin 30°=15 N FN=mgcos 30°=15 N 施加F后物體的受力情況如圖乙所示 由平衡條件,得f′+Fsin 30°=mgsin 30° f′=12.5 N FN′+Fcos 30°=mgcos 30° FN′= N 即物體受到的摩擦力減小f-f′=2.5 N, 彈力減小FN-FN′= N.A正確,C錯(cuò)誤; 因物體仍靜止,合外力仍為零,斜面對物體的作

22、用力與mg和F的合力大小相等,方向相反,B正確,D錯(cuò)誤. 考點(diǎn)三 動(dòng)態(tài)平衡問題 7.如圖7所示,用繩索將重球掛在墻上,不考慮墻的摩擦,如果把繩的長度增加一些,則球?qū)K的拉力F1和球?qū)Φ膲毫2的變化情況是(  ) 圖7 A.F1增大,F(xiàn)2減小 B.F1減小,F(xiàn)2增大 C.F1和F2都減小 D.F1和F2都增大 答案 C 解析 把球的重力往兩個(gè)方向上分解如圖所示,由圖知兩個(gè)力均減小,故選C. 8.(多選)如圖8所示,用豎直擋板將光滑小球夾在擋板和斜面之間,若逆時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)擋板,使其由豎直轉(zhuǎn)至水平的過程中,以下說法正確的是(  ) 圖8 A.擋板對小球的壓力先

23、增大后減小 B.擋板對小球的壓力先減小后增大 C.斜面對小球的支持力先減小后增大 D.斜面對小球的支持力一直逐漸減小 答案 BD 解析 取小球?yàn)檠芯繉ο?,小球受到重力G、擋板對小球的支持力FN1和斜面對小球的支持力FN2三個(gè)力作用,如圖所示,F(xiàn)N1和FN2的合力與重力大小相等,方向相反,F(xiàn)N2總垂直接觸面(斜面),方向不變,根據(jù)圖解可以看出,在FN1方向改變時(shí),其大小(箭頭)只能沿PQ線變動(dòng).顯然在擋板移動(dòng)過程中,F(xiàn)N1先變小后變大,F(xiàn)N2一直減小. 【考點(diǎn)】動(dòng)態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】圖解法求動(dòng)態(tài)平衡問題 二、非選擇題 9.(多力平衡問題)如圖9所示,放在水平地面上的物體

24、P的重量為GP=10 N,與P相連的細(xì)線通過光滑輕質(zhì)定滑輪掛了一個(gè)重物Q拉住物體P,重物Q的重量為GQ=2 N,此時(shí)兩物體保持靜止?fàn)顟B(tài),線與水平方向成30°角,則物體P受到地面對它的摩擦力f與地面對它的支持力FN各為多大? 圖9 答案  N 9 N 解析 選取Q為研究對象,受力如圖所示: 由平衡條件可知:FT=GQ ① 選取P為研究對象,受力如圖所示: 建立如圖所示的直角坐標(biāo)系, 在x軸上由平衡條件,有:FTx=f=FTcos 30° ② 在y軸上由平衡條件,有:FN+FTy=FN+FTsin 30°=GP ③ 聯(lián)立①②

25、③得: 10.(多力平衡問題)一物體置于粗糙的斜面上,給該物體施加一個(gè)平行于斜面的力,當(dāng)此力為100 N且沿斜面向上時(shí),物體恰能沿斜面向上勻速運(yùn)動(dòng);當(dāng)此力為20 N且沿斜面向下時(shí),物體恰能在斜面上向下勻速運(yùn)動(dòng),求施加此力前物體在斜面上受到的摩擦力的大小. 答案 40 N 解析 物體沿斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)對物體受力分析如圖甲所示.    甲         乙 由共點(diǎn)力的平衡條件得 x軸:F1-f1-mgsin α=0, y軸:mgcos α-FN1=0 又f1=μFN1 物體沿斜面向下運(yùn)動(dòng)時(shí)對物體受力分析如圖乙所示. 由共點(diǎn)力的平衡條件得 x軸:f2-F2-mgsin α

26、=0, y軸:mgcos α-FN2=0 又f2=μFN2,f1=f2=f 以上各式聯(lián)立得:f1=f2=f= 代入數(shù)據(jù)得:f= N=60 N,mgsin α=40 N 當(dāng)不施加此力時(shí),物體受重力沿斜面向下的分力 mgsin α

27、 圖10 (1)輕繩OA、OB受到的拉力各多大?(試用三種方法求解) (2)物體乙受到的摩擦力多大?方向如何? 答案 (1)m1g m1g (2)m1g 方向水平向左 解析 (1)方法一:(力的合成法)對結(jié)點(diǎn)O進(jìn)行受力分析,如圖(a)所示,把FA與FB合成 則F=m1g 所以FA==m1g FB=m1gtan θ=m1g 故輕繩OA、OB受到的拉力大小分別等于FA、FB,即m1g、m1g 方法二:(力的效果分解法)把甲對O點(diǎn)的拉力按效果分解為FOA和FOB,如圖(b)所示 則FOA==m1g,F(xiàn)OB=m1gtan θ=m1g. 方法三:(正交分解法)把OA繩對結(jié)點(diǎn)O的拉力FA進(jìn)行正交分解,如圖(c)所示. 則有FAsin θ=FB FAcos θ=m1g 解得FA=m1g,F(xiàn)B=m1g (2)對乙受力分析有 f=FB=m1g,方向水平向左. 【考點(diǎn)】靜態(tài)平衡問題分析 【題點(diǎn)】多力平衡問題

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