[高三理化生]高中物理自主提升专题 力和物体的平衡

进入虚拟课堂高三物理总复习教材（第6讲） 一、 本讲内容：力 物体的平衡复习要点1力的概念及其基本特性2常见力的产生条件，方向特征及大小确定3受力分析方法4力的合成与分解5平衡概念及平衡条件6平衡条件的应用方法二、难点剖析 1关于力的基本特性力是物体对物体的作用。力作用于物体可以使受力物体形状发生改变；可以使受力物体运动状态（速度）发生改变。影响力的“使物体变形”和“使物体变速”效果的因素有：力的大小、力的方向和力的作用点，我们反影响力的作用效果的上述三个因素称为“力的三要素”。对于抽象的力概念，通常可以用图示的方法使之形象化：以有向线段表示抽象的力。 在研究与力相关的物理现象时，应该把握住力概念的如下基本特性。 （1）物质性：由于力是物体对物体的作用，所以力概念是不能脱离物体而独立存在的，任意一个力必然与两个物体密切相关，一个是其施力物体，另一个是其受力物体。把握住力的物质性特征，就可以通过对形象的物体的研究而达到了解抽象的力的概念之目的。 （2）矢量性：作为量化力的概念的物理量，力不仅有大小，而且有方向，在相关的运算中所遵从的是平行四边形定则，也就是说，力是矢量。把握住力的矢量性特征，就应该在定量研究力时特别注意到力的方向所产生的影响，就能够自觉地运用相应的处理矢量的“几何方法”。 （3）瞬时性：力作用于物体必将产生一定的效果，物理学之所以十分注重对力的概念的研究，从某种意义上说就是由于物理学十分关注力的作用效果。而所谓的力的瞬时性特征，指的是力与其作用效果是在同一瞬间产生的。把握住力的瞬时性特性，应可以在对力概念的研究中，把力与其作用效果建立起联系，在通常情况下，了解表现强烈的“力的作用效果”往往要比直接了解抽象的力更为容易。 （4）独立性：力的作用效果是表现在受力物体上的，“形状变化”或“速度变化”。而对于某一个确定的受力物体而言，它除了受到某个力的作用外，可能还会受到其它力的作用，力的独立性特征指的是某个力的作用效果与其它力是否存在毫无关系，只由该力的三要素来决定。把握住力的独立性特征，就可以采用分解的手段，把产生不同效果的不同分力分解开分别进行研究。 （5）相互性：力的作用总是相互的，物体A施力于物体B的同时，物体B也必将施力于物体A。而两个物体间相互作用的这一对力总是满足大小相等，方向相互，作用线共线，分别作用于两个物体上，同时产生，同种性质等关系。把握住力的相互性特征，就可以灵活地从施力物出发去了解受力物的受力情况。2三种常见力的产生条件及方向特征：力学范围内的三种常见力指的是重力、弹力和摩擦力。这三种常见的产生条件及方向特征如下表所示：力产生条件方向特征重力物体处在地球附近总是竖直向下弹力物体与其他物体接触接触处因挤、压、拉等作用而产生弹性形变总与接触面垂直总与形变方向相反摩擦力物体与其他物体接触接触处因挤、压、拉等作用而产生弹性形变相对于接触的物体有沿切线方向的相对运动（或相对运动趋势）总与接触面平行总与相对运动或相对运动趋势方向相反3物体受力情况的分析（1）物体受力情况分析的理解：把某个特定的物体在某个特定的物理环境中所受到的力一个不漏，一个不重地找出来，并画出定性的受力示意图。（2）物体受力情况分析的方法：为了不使被研究对象所受到的力与所施出的力混淆起来，通常需要采用“隔离法”，把所研究的对象从所处的物理环境中隔离出来；为了不使被研究对象所受到的力在分析过程中发生遗漏或重复，通常需要按照某种顺序逐一进行受力情况分析，而相对合理的顺序则是按重力、弹力，摩擦力的次序来进行。（3）物体受力情况分析的依据：在具体的受力分析过程中，判断物体是否受到某个力的依据通常有如下三个。根据力的产生条件来判断；根据力的作用效果来判断；根据力的基本特性来判断。4力的合成与分解的原则，定则与特征我们可以用一个力取代几个力（合成），也可以用几个力取代某一个力（分解），所有这些代换，都不能违背等效的原则。而在等效原则的指导下，通常实验可总结出力的合成与分解所遵循的共同定则：平行四边形定则。由力的合成所遵循的平行四边形定则可知：两个大小分别为F1和F2的力的合力大小F的取值范围为 FF1+F2.同样，由力的分解所遵循的平行四边形定则可知：如不加任何限制而将某个力分解为两个分力，则可以得到无数种分解的方式，这是毫无意义的。通常作力的分解时所加的限制有两种：按照力的作用效果进行分解，按照所建立的直角坐标将力作正交分解。5平衡概念的理解及平衡条件的归纳（1）对平衡概念的准确理解：平衡是相对于运动提出的概念；有一种运动相应就有一种平衡与之对应；平衡实际上是运动在某种特殊的条件下所达到的某种特殊的状态；而某种运动处于平衡状态实际上是意味着这种运动的状态保持不变，或描述这种运动的状态参量恒定。把平衡与运动建立起联系应该说是对平衡概念的准确理解。教材中所提到的“某个物理量的平衡”，实际上也应理解为“某个物体所参与的某种运动的平衡”；而教材中所提到的“某个物理量的平衡”，实际上也应理解为“某个物理量所制约着的某种运动的平衡”。（2）关于平衡条件的归纳。在共点力作用下的物体的平衡条件。平动平衡状态是静止或匀速直线运动状态；其共同的物理本质是描述平动状态的速度这一物理量保持恒定；而能够迫使物体运动速度发生变化的只有力，所以在共点力的作用下的物体的平衡条件是：物体所受到的合外力为零，即 =0.有固定转动轴的物体的平衡条件转动平衡状态是静止或匀速转动状态；其共同的物理本质是描述转动状态的角速度这一物理量保持恒定；而能够迫使物体转动角速度发生变化的只有力矩，所以在有固定转动轴的物体的平衡条件是：物体所受到的合力矩为零，即 =0.6平衡条件的应用技巧形如=0的平衡条件从本质上看应该是处于平衡状态下的物体所受到的各个外力之间的某种矢量关系，准确把握平衡条件所表现出的矢量关系，就能在平衡条件的应用中充分展现其应用的技巧。（1）正交分解法：这是平衡条件的最基本的应用方法。其实质就是将各外力间的矢量关系转化为沿两个坐标轴方向上的力分量间的关系，从而变复杂的几何运算为相对简单的代数运算。即=0 作为基本的应用方法，正交分解法的应用步骤为： 确定研究对象；分析受力情况；建立适当坐标；列出平衡方程.（2）合成（分解）法：如果物体受到力F和（i=1，2，n）的作用而处于平衡状态，则在利用平衡条件处理各个力之间的关系时可分别采用以下两种方法。合成法：把各个（i=1，2，n）合成为 =.则必有分解法：把F分解为Fi（i=1，2，n），即 F=总可以使 FI =f1（i=1，2，n）.（3）拉密定理法. 如果物体受到如图61所示的共面的三个力作用而处于平衡状态，则平衡条件所给出的各个力间的关系可以表示为 =. 这就是所谓的拉密定理。（4）多边形（三角形）法。如果物体受到n个共面的力而处于平衡状态，则表示 图61这n个力的n条有向线段可以依次首尾相接而构成一个封闭的“力的n边形”，特别是当n=3时，则将构成一个封闭的“力的三角形”。（5）相似形法。如果物体受到共面的力的作用而处于平衡状态，一方面表示这些力的有向线段将构成封闭的“力的多边形”，另一方面若存在着与之相似的“几何多边形”，则可以利用相似多边形的“对应边成比例”的特性来表现平衡条件中的各个力之间的关系。 （6）共点法。 物体受到共面的力的作用而处地平衡状态，若表示这些力的有向线段彼此间不平行，则它们必将共点。三、典型例题例1 如图62所示，均匀的球静止于墙角，若竖直墙是光滑的，而水平地面是粗糙的试分析球所受到的力。分析：球所受到的竖直向下的重力G和水平地面给球的竖直向上的支持力N均可根据力的产生条 图62件得到肯定的判断，但球是否还要受到竖直墙壁向右的弹力，则判断起来就较为困难。一般需要根据力的作用效果来判断。 解：根据重力和弹力的产生条件知，球将受到地球给球的重力G和地面给球的支持力N的作用如图63所示，但竖直墙是否给球向右的弹力作用，较难用力的产生条件直接判断。设想，竖直墙给球 图63的一个水平弹力T的作用，如图64所示，根据力的作用效果，球如受G、N、T三个力的作用将向右做加速运动，由于球实际上处于静止，故若受 图64力T的作用，就必须有一个水平向左的静摩擦力f与之平衡，如图64所示，但力f又将会使球绕球心沿顺时针方向加速转动起来。显然，球所受到的力当中，既不应有f，也不应有T，只是重力G 和支持力N，其正确的受力情况应如图63所示。 例2如图65所示，长为l的轻绳一端固定在倾角为的光滑斜面上，另一端系着半径为r，质量为m的均匀球，求：绳子对球的拉力和斜面对球的支持力的大小各为多大？ 分析：由于斜面光滑，球不受摩擦力作用，而 重力mg和斜面支持力N均过球心，所以，绳子的 图65拉力T也必将过球心，运用正交分解法即可求解。 解：取球为研究对象，其受力情况如图66所示，以平行于和垂直于斜面的方向为x和y轴方向建立坐标于是有 Tcosmgsin=0 Tsin+mgcosN=0 而绳与斜面间夹角的正弦值与余弦值分别为 sin= cos= 由此可解得T=mgsinN=mg（cos+sin） 图66例3质量为m的物块与水平面间的动摩擦因数为，为使物块沿水平面做匀速直线运动，则所施加的拉力至少应为多大？解析 取物块为研究对象，在与水平面夹角斜向右上方的拉力F作用下，物块沿水平面向右做匀速直线运动，此时，物块的受力情况如图67所示，建立起水平向右为x轴正方向、竖直向上为y轴正方向的直角坐标系，沿两坐标轴方向列出平衡方程为Fcosf=0Fsin+Nmg=0. 考虑到动摩擦力f与正压力N间的关系，又有 f=N. 由上述三个方程消去未知量N和f，将F表示为的函数，得 F=mg/（cos+sin）， 对上述表达式作变换，又可表示为 F=， 图67 其中tan=. 由此可知，当=arctan时，拉力F可取得最小值 Fmin=mg/. 解：其实，此例题可用“几何方法”分析求解：对物块做匀速直线运动时所受的四个力来说，重力mg的大小、方向均恒定；拉力F的大小和方向均未确定；由于支持力N与动摩擦力f的比值是确定的，做其合力R的大小未确定而方向是确定的（与竖直线夹角），于是，把N与f合成为一个力R，物块所受的四个力即可等效地视为三个力R、mg和F，而这三个力的矢量关系可由图68来表示。 由图便很容易得出结论：当拉力F与水平面夹角为 图68 =tg1时，将取得最小值 Fmin=mgsin= 单元检测一、 选择题（每题4分，共56分）1关于力的概念，下列说法中正确的是（ ）A力的改变物体运动状态的原因 B运动物体在其速度方向上必受力C大小相同的力的作用一定相同 D一个力必与两个物体直接相关2如图69（a）、（b）所示，拉力F使叠放在一起的A、B两物体一起以共同速度沿F方向作匀速直线运动，则（ ）A两图中A物体受到的摩擦力方向均与F方向相同；B两图中A物体受到的摩擦力方向均与F方向相反；C两图中A物体均不受摩擦力作用； 图69D（a）图中的A物体不受摩擦力，（b）图中A物体受到的摩擦力方向与F方向相同。3一弹簧秤更换弹簧后不能直接在原来准确的均匀刻度上读数，经测试发现，不挂重物时，示数为2N，在弹性限度内挂100N的重物时，示数为92N，则当挂上某重物而使示数为20N时，所挂重物的实际重为：（ ）A16.2N B18N C20N D22.2N4如图610所示，物体A、B的质量分别为m和M，且mM把A、B用线相连绕过光滑定滑轮。今用水平力F作用于B，使之沿水平面向右运动，如能恰好使A匀速上升，则水平地面给B的支持力N、摩擦力f和线中张力T的大小的变化情况为：（ ） AN、f、T均增大； BN、f增大而T不变CN、f减小而T增大； DN、f减小而T不变。5如图611所示，轻质细线把a、b两个小球悬挂起来，今若分别对a、b两端施加向左偏下300和向在偏上300的同样大小 图610 图611的恒略，则最终平衡时两球的位置就如图612足的（ ） 图6126有两个共点力的合力大小为50N，若其中一个分为大小为20N，则另一个分力的大小可能为：（ ）A20N B40NC50N D80N7如图613所示，A、B两物块叠放于水平面C上，水平力F作用于B并使A、B以共同的速度沿水平面C作匀速直线运动，则A与B间动的摩擦因数1和B与C间的动摩擦因数2的取值可能为：（ ）A1=0，2=0； B1=0，20 图613C10，2=0； D10，20。8如图614所示，在倾角为370的斜面向上的5N的拉力着重为3N的木块沿斜面向上匀速运动，则斜面对木块的作用力的方向是（sin370=0.6，cos370=0.8） （ ）A水平向左 B垂直斜面向上 C竖直向上 D不能确定 图614 图615 图616 9如图615所示，用一根长为l的细绳一端固定在O点，另一端悬挂质量为m的小球A，为使细绳与竖直方向夹300角且绷紧，小球A处于静止，对小球施回的最小的力等于（ ）Amg Bmg Cmg Dmg10 如图616所示，轻质三角支架ABC中，AC垂直于地面，AB与AC成450角，今沿着AB杆方向作用于A端一个斜向上方的拉力F，则AC杆所受到的作用力为（ ）AF BF CF D011如图617所示，在倾角为的光滑斜面上放一块木板，另有一木棒左端可绕水平轴自由转动，其右端搁在木板上，现在要用平行于斜面的力把木板抽出，则抽出过程中木棒与木板之间的摩擦力（ ）A向上抽时，摩擦力较大 B向下抽时，摩擦力较大C两种抽法，摩擦力一样大 D条件不足，不能确定 图617 图618 图619 图62012如图618所示，重为G的质点P与三根劲度系数相同的轻弹簧A、B、C相连，C处于竖直方向，静止时相邻弹簧间的夹角均为1200。已知弹簧A、B对质点P的弹力大小各为G/2，弹簧C对质点P的弹力大小可能为（ ）A3G/2 BG/2 C0 D 3G13如图619所示，竖直放置的轻弹簧一端固定在地上，另一端与斜面体P连接，P与斜放其上的固定挡板MN接触且处于静止状态，则斜面体P此时刻所受到的外力个数有可能为（ ）A2个 B4个 C4个 D5个14如图620所示，质量为m的物体放在水平放置的钢板C上，与钢板的动摩擦因数为，由于光滑导槽A、B的控制，物体只能沿水平导槽运动，现使钢板以速度1向右运动，同时用力F沿导槽的方向拉动物体使物体以上速度2沿导槽运动，则F的大小为（ ）A等于mg B大于mg C小于mg D不能确定二、填空题（每题4分，共24分）15有五个力作用于一点O，这五个力构成一个正六边形的两邻边和三角对角线，如图621所示，设F3=20N，则这五个力的合力大小为_.16表面光滑、质量不计的尖劈插在缝A、B之间，如图622所示，在尖劈背上加一压力F，则尖劈对A侧的压力为_，对B侧的压力为_,图621 图622 图62317如图623所示，两固定的光滑硬杆OA与OB夹角为，在两杆上各套轻环C、D，C、D用细线相连，现用一恒力F沿OB方向拉环C，当两环平衡时，绳子的拉力是_。18如图624所示，劲度系数分别为K1和K2的轻质弹簧a、b与质量为m的物块P相连、并直立于水平面上，今在弹簧a的上端A上再压放一质量为2m的物块Q，则至再次静止时，A端将下降_；物块P将下降_。 图624 图62519如图625所示，物体A、B的重力大小分别为80N和30N，弹簧秤a、b的重力及滑轮的摩擦均不计，则弹簧秤a的读数为_N，弹簧秤b的读数为_N。20某人沿竖直杆匀速上攀和匀速下滑时受到的摩擦力分别为f1和f2，则小f1的方向为_；f2的方向为_；f1和f2的大小关系为f1_f2。三、计算题（每小题10分，共20分）21在研究两人共点力合成的实验中得到如图626所示的合力F与两个分力的夹角的关系图。求：（1）两个分力大小各是多少？（2）此合力的变化范围是多少？ 图62622在水平地面上放一木板B，重力为G2=100N， 再在木板上放一货箱A，重力为G1=500N，设货箱与木板、木板与地面的动摩擦因数均为0.5，先用绳子把货箱与墙拉紧，如图627所示，已知tg=3/4，然后在木板上施一水平力F，想把木板从货箱下抽出来，F至少应为多大？ 图627参考答案一、选择题1AD 2D 3C 4B 5A 6BC 7BD 8A 9C 10D11B 12AB 13AC 14C二、填空题1560N 16，Fctg 17 182mg(K1+K2)/K1K2，2mg/K2 1980,50 20竖直向上，竖直向上，=三、计算题21（1）8N，6N （2）2NF14N 22Fmin= 413.6N