受力分析 共点力的平衡
[人教版必修第一册]
1.第三章第5节P72页,共点力作用下物体平衡的条件是什么?
提示:合力为0。
2.第三章第5节【例1】对小孩进行受力分析时的各力分析顺序能否颠倒?
提示:不能,受力分析时先分析场力(重力),再分析接触力(支持力、摩擦力),其中分析接触力时需先分析支持力,再分析摩擦力。
3.第三章第5节【例2】三力的平衡用什么方法解决?
提示:①合成法:两个力的合力和第三个力平衡的方法;②正交分解法;③分解法:按作用效果进行分解。
4.第三章第5节P75页【练习与评价T3】如何处理OA段刚被拉断的题目条件?
提示:此刻OA段达到最大拉力的临界,即OA段拉力为50N。
5.第三章【复习与提高A组T3】设计一个测量纸跟桌面之间的动摩擦因数的小实验?
提示:把纸粘在木块的下表面,使纸跟水平桌面接触,用测力计水平拉木块做匀速运动,测出拉力F与木块的重力G,由Ff=F,FN=G,则即可测出。
6.第三章【复习与提高B组T7】为什么拔河时身体要往后倾倒,跟地面的夹角很小?
提示:拔河时,可以认为静止的运动员受到重力G、水平方向绳子的拉力FT和地面对运动员的作用力F这三个共点力作用而处于平衡,F的水平分力为静摩擦力Ff,竖直分量为地面支持力FN。当绳子上的拉力增大时,人要不被拉动,要求静摩擦力也增大。由于共点力平衡可知,由于FN=G是不变的,F与地面的夹角越小,Ff就越大,因此人要往后倾倒。
考点一 物体的受力分析
受力分析:
1.受力分析的一般顺序
2.受力分析的方法步骤
题型一 单个物体的受力分析
如图所示,物体A在竖直向上的拉力F的作用下能静止在斜面上,关于A受力的个数,下列说法中正确的是( )
A.A一定受两个力作用 B.A一定受四个力作用
C.A可能受三个力作用 D.A受两个力或者四个力作用
D
若拉力F大小等于物体的重力,则物体与斜面没有相互作用力,所以物体就只受到两个力作用;若拉力F小于物体的重力,则斜面对物体产生支持力和静摩擦力,故物体应受到四个力作用。
题型二 多个物体的受力分析(整体隔离法)
(2021·广州调研)如图所示,一楔形斜面体置于水平地面上,斜面的倾角为30°,物块A置于斜面上,用轻弹簧、细绳跨过定滑轮与物块B相连,弹簧轴线与斜面平行,A、B均处于静止状态,已知物块A、B的重力分别为10 N和5 N,不计滑轮与细绳间的摩擦,则( )
A.弹簧对A的拉力大小为10 N B.斜面对A的支持力为5 N
C.斜面对A的摩擦力为0 D.地面对斜面体的摩擦力大小为5 N
C
弹簧的弹力等于B的重力,大小为5 N,而A的重力沿斜面方向的分力GAsin 30°=5 N,故斜面对A的摩擦力为0,故A错误,C正确;斜面对A的支持力FN=GAcos 30°=5 N,B错误;以A、B及斜面体整体为研究对象,得地面对斜面体的摩擦力为0,D错误。
如图所示,物体A靠在竖直墙面上,在力F作用下,A、B保持静止。物体B的受力个数为( )
A.2 B.3 C.4 D.5
C
先以AB整体为研究对象,受到竖直向下的重力和竖直向上的推力F,若墙对整体有水平方向的支持力,则A、B不能保持静止,故墙对整体没有支持力。
再以物体A为研究对象,受力情况如图甲所示,此时,墙对物体A没有支持力。
最后以物体B为研究对象,结合牛顿第三定律,其受力情况如图乙所示,即要保持物体B平衡,B应受到重力、压力、摩擦力、力F共4个力的作用。
1.如图所示,A、B两质量均匀的钢管,管上端分别用细线悬挂着,管下端搁在水平地面上,处于静止状态。悬挂A管的细线倾斜,悬挂B管的细线恰好竖直。关于两管的受力情况,下列说法正确的是( )
A.地面对A管的作用力方向竖直向上
B.A管的下端有向左运动的趋势
C.地面对B管的支持力可能为零
D.地面对B管的摩擦力方向向右
B
解:AB、A管上方的细线对A管的拉力斜向左上方,A管的下端有向左运动的趋势,地面对A管有向右的摩擦力,同时地面对A管的支持力方向竖直向上,所以地面对A管的作用力方向斜向右上方,故A错误、B正确;
CD、B管上方的细线沿竖直方向,B管相对于地面水平方向没有运动趋势,地面对B管没有摩擦力;B管受到重力、细线的拉力、地面的支持力而平衡,所以地面对B管的支持力不可能为零,故CD错误。
故选:B。
2.图甲为挂在架子上的双层晾衣篮。上、下篮子完全相同且保持水平,每个篮子由两个质地均匀的圆形钢圈穿进网布构成,两篮通过四根等长的轻绳与钢圈的四等分点相连,上篮钢圈用另外四根等长轻绳系在挂钩上。晾衣篮的有关尺寸如图乙所示,则图甲中上、下各一根绳中的张力大小之比为( )
A.1∶1 B.2∶1 C.5∶2 D.5∶4
C
设一个篮子的质量为m,连接下篮的绳子的拉力为T2,对下篮,根据平衡条件得4T2=mg,解得T2=,设连接上篮的绳子的拉力为T1,绳子与竖直方向夹角为θ,对两个篮子组成的整体,由平衡条件得4T1cos θ=2mg,根据几何关系得sin θ==0.6,联立解得T1=mg,则=,故C正确,A、B、D错误。
考点二 静态平衡问题
1.共点力的平衡条件
(1)平衡状态:物体处于静止或匀速直线运动的状态,即a=0。
(2)平衡条件:F合=0或
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。
(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。
3.求解共点力的平衡问题的常用方法
方法 内容
合成与分解法 三个共点力平衡时,任意两个力的合力一定与第三个力大小相等、方向相反;或将任意一个力沿着另外两个力的方向分解,则其分力一定分别与两个力大小相等、方向相反
正交分解法 物体受到多个力作用平衡时,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
矢量三角形法 三个共点力平衡时,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
方法一 合成法与分解法
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。下列关系式正确的是( )
A.F= B.F=mgtan θ C.FN= D.FN=mgtan θ
A
法一:合成法
滑块受力如图甲所示,由平衡条件知:=tanθ,=sin θ,解得F=,FN=。
法二:分解法
将滑块所受重力按产生的效果分解,如图乙所示,F=G2=,FN=G1=。
方法二 正交分解法
(2023·山东·模拟)质量为m的木块,恰好能沿倾角为θ的斜面匀速下滑,那么要将木块沿斜面匀速向上推,需要加一定的水平推力F。若重力加速度为g,则下列说法正确的是( )
A.木块与斜面间的动摩擦因数μ=tan θ
B.木块与斜面间的动摩擦因数μ=2tan θ
C.所加水平推力大小为F=2mgsin θ
D.所加水平推力大小为F=
AD
AB.当未施加外力F时,根据平衡条件可得mgsin θ=μmgcos θ
求得木块与斜面间的动摩擦因数μ=tan θ,故A正确,B错误;
C.当加水平推力F后,木块沿斜面匀速向上,则物块受到的摩擦力沿斜面向下,对物体进行受力分析并将其进行正交分解如下,
x轴:根据平衡条件可得mgsin θ+f=Fcos θ,
y轴:根据平衡条件可得mgcos θ+Fsin θ=N,且f=μN,
联立可求得F=,故C错误,D正确。
故选AD。
方法三 力的三角形法
(2023·广东·模拟)如图所示的装置,杆QO沿竖直方向固定,且顶端有一光滑的定滑轮,轻杆OP用铰链固定于O点且可绕O点转动,用两根轻绳分别拴接质量分别为m1、m2的小球并系于P点,其中拴接m1小球的轻绳跨过定滑轮,已知O点到滑轮顶端Q的距离等于OP,当系统平衡时两杆的夹角为α=120°,则m1∶m2为( )
A.1∶2 B.∶2 C.1∶1 D.∶1
D
以结点P为研究对象,受力分析如图所示,则拴接小球m1轻绳的拉力大小等于m1g,由力的平衡条件将杆OP的支持力FN与轻绳QP的拉力合成且其合力与重力m2g等大反向,因此三力m1g、m2g和FN构成一个力的三角形,由几何关系可得m1g=2m2gcos 30°,解得m1∶m2=∶1,故A、B、C错误,D正确。
1.(2022·广东·一模)如图甲所示,10个人用20根等长的绳子拉起一个鼓,一端系在鼓上,一端用手拉住,每根绳子与竖直方向的夹角均相等,若绳子连接鼓的结点、拉绳子的手分别在其所在圆周上等间距分布,鼓处于静止状态且鼓面水平,忽略绳子质量,简化图如图乙所示。现仅使鼓在绳子的作用下保持鼓面水平沿竖直方向缓慢下降,其他条件不变,则在鼓缓慢下降过程中,下列说法正确的是( )
A.绳子对鼓的合力变大 B.绳子对鼓的合力变小
C.每根绳子对人的作用力增大 D.每根绳子对人的作用力减小
D
鼓在缓慢下降过程中,处于平衡状态,绳子对鼓的合力始终与鼓的重力大小相等,方向相反,所以该过程中绳子对鼓的合力不变,A、B错误;对鼓受力分析,在竖直方向,根据平衡条件得20F cos θ=mg,解得F=,鼓缓慢下降过程中绳子与竖直方向的夹角θ变小,cos θ变大,则每根绳子上的拉力F减小,每根绳子对人的作用力F′=F减小,C错误,D正确。
2.(2023·重庆·模拟)如图所示,一轻杆两端固定两个小球A、B,A球的质量是B球质量的3倍,轻绳跨过滑轮连接A和B,一切摩擦不计,平衡时OA和OB的长度之比为( )
A.1∶2 B.2∶1 C.1∶3 D.1∶4
C
设绳上拉力为FT,OA长L1,OB长L2,过O点作竖直向下的辅助线交AB于C点,如图所示, 对小球A进行受力分析, 其所受绳子拉力FT和重力mAg的合力与轻杆的弹力等大、反向, 则力的三角形与△OCA相似,则有,同理对B球进行受力分析可得,联立以上两式可得,故A、B、D错误,C正确。
考点三 动态平衡问题
1.在共点力作用下的动态平衡过程中物体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.动态平衡的常用方法
(1)解析法
对研究对象进行受力分析,先画出受力示意图,再根据物体的平衡条件,得到因变量与自变量的关系表达式(通常要用到三角函数),最后根据自变量的变化确定因变量的变化。
(2)图解法
此法常用于求解三力平衡且有一个力是恒力、另有一个力方向不变的问题。一般按照以下流程解题:
(3)相似三角形法
在三力平衡问题中,如果有一个力是恒力,另外两个力方向都变化,且能找到矢量三角形与空间几何三角形相似,则可利用相似三角形对应边成比例进行计算。
(4)正弦定理法(辅助圆法)
正弦定理法:如图所示,物体受三个共点力作用而处于平衡状态,则三个力中任何一个力的大小分别与另外两个力的夹角的正弦成正比,即。推导过程如下,由于三个力处于平衡状态,则F1和F2的合力与F3等大反向,如图(2)所示,在三力所构成的矢量三角形中,利用正弦定理可得,利用三角函数化简即可得到。
在动态平衡问题中,如果一个恒力所对的另外两个力的夹角不变,通常能用此法很好解决问题。
辅助圆法:一力恒定,另外两力方向一直变化,但两力的夹角不变,作出不同状态的矢量三角形,利用两力夹角不变,结合正弦定理列式求解,也可以作出动态圆,恒力为圆的一条弦,根据不同位置判断各力的大小变化。
基本矢量图,如图所示。
方法一 解析法
如图所示,某电影中工人清洗楼房的光滑玻璃,用一根绳索将自己悬在空中,已知工人及其装备的总质量为m,且视为质点,悬绳与竖直墙壁的夹角为θ,悬绳对工人的拉力大小为FT,墙壁对工人的弹力大小为FN,工人保持离墙的距离不变,重力加速度为g,则( )
A.若工人缓慢上移,则FT增大,FN减小
B.若工人缓慢上移,则FT与FN的合力增加
C.FN=,FT=mgcos θ
D.FN=mgtan θ,FT=
D
对人受力分析,如图所示:
CD.由三角函数得FT=,FN=mgtan θ,故C错误,D正确。
A.若工人缓慢上移,工人保持离墙的距离不变,θ增大,cos θ减小,tan θ增大,则FT增大,FN增大,故A错误;
B.FT与FN的合力大小等于重力mg,无论工人缓慢上移还是下移,则FT与FN的合力不变,故B错误;
故选D。
方法二 图解法
如图所示,用竖直木板挡住放在光滑斜面上的小球A,A受到的重力为G。整个装置静止在水平面上。设斜面和木板对小球A的弹力大小分别为F1和F2。保持木板竖直,在斜面的倾角θ缓慢减小的过程中,A受力的变化情况是( )
A.F1增大,G不变,F2减小 B.F1减小,G不变,F2增大
C.F1减小,G不变,F2减小 D.F1不变,G增大,F2增大
C
小球A受到重力、斜面对小球A的弹力F1和木板对小球的弹力F2,在斜面的倾角θ缓慢减小的过程中,A的重力G不变,F2方向不变,由图解法知,F1、F2均减小,故C正确,A、B、D错误。
方法三 相似三角形法
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
B
设物体的重力为G。以B点为研究对象,分析受力情况,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、AO、G不变,则FN保持不变,C、D错误;由△F2FNB∽△OBA得=,BO减小,则F一直减小,A错误,B正确。
方法四 正弦定理法(或辅助圆法)
(多选)如图所示,两根轻绳一端系于结点O,另一端分别系于固定圆环上的A、B两点,O为圆心。O点下面悬挂一物体M,绳OA水平,拉力大小为F1,绳OB与绳OA的夹角α=120°,拉力大小为F2。将两绳同时缓慢顺时针转过75°,并保持两绳之间的夹角α始终不变,物体始终保持静止状态。则在旋转过程中,下列说法正确的是( )
A.F1逐渐增大 B.F1先增大后减小
C.F2逐渐减小 D.F2先减小后增大
BC
方法一:正弦定理法
如图所示,以结点O为研究对象进行受力分析。由正弦定理得==,其中α=120°不变,则比值不变,γ由钝角变为锐角,sin γ先变大后变小,则F1先增大后减小,β由90°变为钝角,则sin β变小,F2逐渐减小,故B、C正确,A、D错误。
方法二:辅助圆法
物体始终保持静止,合力为零,所以mg、F1、F2构成封闭的矢量三角形如图所示
由于重力不变,以及F1和F2夹角α=120°不变,即
β=60°
矢量三角形动态图如图所示,当
θ=β=60°
F1为圆的直径最大,所以F1先增大后减小,F2一直减小。
故选BC。
1.(多选)(2019·全国Ⅰ卷)如图,一粗糙斜面固定在地面上,斜面顶端装有一光滑定滑轮。一细绳跨过滑轮,其一端悬挂物块N,另一端与斜面上的物块M相连,系统处于静止状态。现用水平向左的拉力缓慢拉动N,直至悬挂N的细绳与竖直方向成45°。已知M始终保持静止,则在此过程中( )
A.水平拉力的大小可能保持不变
B.M所受细绳的拉力大小一定一直增加
C.M所受斜面的摩擦力大小一定一直增加
D.M所受斜面的摩擦力大小可能先减小后增加
BD
选N为研究对象,受力情况如图甲所示,用水平拉力F缓慢拉动N的过程中,水平拉力F逐渐增大,细绳的拉力FT逐渐增大,选项A错误,B正确;对M受力分析,如图乙所示,受重力GM、支持力FN、绳的拉力FT以及斜面对它的摩擦力Ff。若开始时斜面对M的摩擦力Ff沿斜面向上,则FT+Ff=GMsin θ,FT逐渐增大,Ff逐渐减小,当Ff减小到零后,再反向增大。若开始时斜面对M的摩擦力Ff沿斜面向下,此时,FT=GMsin θ+Ff,当FT逐渐增大时,Ff逐渐增大,C错误,D正确。
2.(多选)如图所示,一斜面固定在水平面上,一半球形滑块固定在斜面上,球心O的正上方有一定滑轮A(视为质点),细线的一端与一质量分布均匀的光滑圆球B连接,另一端绕过滑轮A在水平向右的拉力F作用下使圆球B保持静止。改变拉力F的大小,使圆球B从两球心等高的位置缓慢移动到圆球B的球心正好在O点的正上方(不考虑该位置的情况)。圆球B不会与定滑轮A接触,则下列说法正确的是( )
A.拉力F一直减小
B.拉力F先增大后减小
C.半球形滑块对圆球B的支持力先增大后减小
D.半球形滑块对圆球B的支持力大小保持不变
AD
对B进行受力分析并合成三角形如图所示,根据几何关系可知图中力构成的矢量三角形与阴影部分的三角形相似,则==,移动过程中,高度h和两球的球心距离r不变,所以半球形滑块对圆球B的支持力大小保持不变,绳子长度l变短,F减小,BC错误,AD正确。故选AD。
3.(2022·河北·高考)如图,用两根等长的细绳将一匀质圆柱体悬挂在竖直木板的P点,将木板以底边MN为轴向后方缓慢转动直至水平,绳与木板之间的夹角保持不变,忽略圆柱体与木板之间的摩擦,在转动过程中( )
A.圆柱体对木板的压力逐渐增大
B.圆柱体对木板的压力先增大后减小
C.两根细绳上的拉力均先增大后减小
D.两根细绳对圆柱体拉力的合力保持不变
B
设两绳子对圆柱体的拉力的合力为FT,木板对圆柱体的支持力为FN,从右向左看如图所示,在矢量三角形中,根据正弦定理==,在木板以直线MN为轴向后方缓慢转动直至水平过程中,α不变,γ从90°逐渐减小到0,又γ+β+α=180°且α<90°,则开始时β为锐角,当γ减小到0°时,β为钝角,故β从锐角逐渐增大到钝角,根据==,由sin γ不断减小可知FT不断减小,sin β先增大后减小,可知FN先增大后减小,结合牛顿第三定律可知,圆柱体对木板的压力先增大后减小;设两绳子之间的夹角为2θ,绳子拉力为FT′,则2FT′cos θ=FT,可得FT′=,θ不变,FT逐渐减小,可知绳子拉力不断减小,故B正确,ACD错误。故选B。
考点四 平衡问题中的临界极值问题
1.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。
常见临界状态有:
(1)由静止到运动,摩擦力达到最大静摩擦力。
(2)绳子恰好绷紧,拉力F=0。
(3)刚好离开接触面,支持力FN=0。
2.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。
方法一 数学分析法
如图所示,质量m=5.2 kg的金属块放在水平地面上,在斜向右上的拉力F作用下,向右以v0=2.0 m/s的速度做匀速直线运动。已知金属块与地面间的动摩擦因数μ=0.2,g=10 m/s2。求所需拉力F的最小值。
2 N
设拉力与水平方向夹角为θ,根据平衡条件有Fcos θ=μ(mg-Fsin θ),整理得cos θ+μsin θ=,sin(α+θ)=(其中sin α=),当θ=-α时F最小,故所需拉力F的最小值Fmin==2 N。
方法二 物理分析法
如图所示,三根长度均为L的轻绳分别连接于C、D两点,A、B两端被悬挂在水平天花板上,相距2L。现在C点上悬挂一个质量为m的重物,为使CD绳保持水平,在D点上可施加力的最小值为( )
A.mg B.mg C.mg D.mg
C
由题图可知,为使CD绳水平,各绳均应绷紧,由几何关系可知,AC与水平方向的夹角为60°;结点C受力平衡,受力分析如图所示,则CD绳的拉力FT=mgtan 30°=mg;D点受CD绳拉力大小等于FT,方向向左,要使CD绳水平,D点两绳的拉力与外界的力的合力应为零,则CD绳对D点的拉力可分解为沿BD绳的F1及另一分力F2,由几何关系可知,当BD绳上的拉力F′与F1大小相等,且力F2与BD绳垂直时,F2最小,而F2的大小等于施加在D点的力的大小,故最小力F=F2=FTsin 60°=mg,故C正确。
方法三 极限分析法
筷子是中国人常用的饮食工具,也是中华饮食文化的标志之一。筷子在先秦时称为“梜”,汉代时称“箸”,明代开始称“筷”。如图所示,用筷子夹质量为m的小球,筷子均在竖直平面内,且筷子和竖直方向的夹角均为θ,为使小球静止,求每根筷子对小球的压力N的取值范围。已知小球与筷子之间的动摩擦因数为μ(μ<tan θ),最大静摩擦力等于滑动摩擦力,重力加速度为g。
≤N≤
筷子对小球的压力太小时,小球有下滑的趋势,最大静摩擦力沿筷子向上,如图甲所示。
小球平衡时,有
2Nsin θ+2fcos θ=mg
f=μN
联立解得
N=
筷子对小球的压力太大时,小球有上滑的趋势,最大静摩擦力沿筷子向下,如图乙所示。小球平衡时,有
2N′sinθ=mg+2f′cosθ
f′=μN′
联立解得
N′=
综上,筷子对小球压力的取值范围为:≤N≤。
1.(2021·江苏)如图所示,倾角θ=37°的斜面上有一木箱,木箱与斜面之间的动摩擦因数μ=。现对木箱施加一拉力F,使木箱沿着斜面向上做匀速直线运动。设F的方向与斜面的夹角为α,在α从0逐渐增大到53°的过程中,木箱的速度保持不变,则( )
A.F先减小后增大 B.F先增大后减小
C.F一直增大 D.F一直减小
A
对物体受力分析如图所示,木箱沿着斜面向上做匀速直线运动,合力为零,根据平衡条件,在垂直斜面方向,有FN+Fsin α=mgcos θ,在平行斜面方向,有Fcos α=mgsin θ+Ff,其中Ff=μFN,联立解得F==,当α=30°时F最小,则在α从0逐渐增大到53°的过程中,F先减小后增大,故A正确。
2.(2023·河北·模拟)北方农村秋冬季节常用金属丝网围成圆柱形粮仓储存玉米棒,某粮仓由于玉米棒装的不匀称而发生倾斜现象,为避免倾倒,在左侧用木棍支撑,如图所示.若支撑点距水平地面的高度为 m,木棍与水平地面间的动摩擦因数为,木棍重力不计,粮仓对木棍的作用力沿木棍方向,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,为使木棍下端不发生侧滑,则木棍的长度最大为( )
A.1.5 m B. m C.2 m D.2 m
C
设木棍与水平方向夹角为θ,木棍长度为L,粮仓对木棍的作用力大小为F,则为使木棍下端一定不发生侧滑,由平衡条件有Fcos θ≤μFsin θ,由几何知识有tan θ=,两式联立解得L≤2 m,即木棍的长度最大为2 m,故A、B、D错误,C正确。
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