第二章 第3讲 力的合成与分解 讲义 (教师版)

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名称 第二章 第3讲 力的合成与分解 讲义 (教师版)
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科目 物理
更新时间 2025-12-31 11:51:51

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第3讲 力的合成与分解
1.力的合成
(1)合力与分力
①定义:假设几个力共同作用的效果跟某个力单独作用的效果相同,这一个力就叫作那几个力的合力,那几个力叫作这一个力的分力。
②关系:合力与分力是等效替代关系。
教材链接·想一想 人教版教材必修第一册P72插图,两个人分别用力F1、F2提着一桶水,水桶静止;如图乙所示,一个人单独用力F提着同一桶水,水桶静止。这种现象说明什么?
提示:两个或者更多力的共同作用与一个力的单独作用效果相同,体现了分力与合力的等效性。
(2)共点力
几个力如果都作用在物体的同一点,或者它们的作用线相交于一点,那这几个力就是共点力。如图均为共点力。
(3)力的合成
①定义:求几个力的合力的过程。
②运算法则
a.平行四边形定则:求两个互成角度的分力的合力,如果以表示这两个力的有向线段为邻边作平行四边形,这两个邻边之间的对角线就代表合力的大小和方向。如图甲所示,F1、F2为分力,F为合力。
b.三角形定则:把两个矢量的首尾顺次连接起来,第一个矢量的起点到第二个矢量的终点的有向线段为合矢量。如图乙所示,F1、F2为分力,F为合力。
2.力的分解
(1)定义:求一个力的分力的过程。
力的分解是力的合成的逆运算。
(2)遵循的原则
①平行四边形定则。
②三角形定则。
(3)分解方法
①按研究问题需要分解力
如图所示,物体重力G按需要可进行两个方向分解,一是使物体沿斜面下滑,二是使物体压紧斜面,这两个分力与合力间遵循平行四边形定则,其大小分别为G1=G sin θ,G2=G cos θ。
②正交分解法:将已知力按互相垂直的两个方向进行分解的方法。
3.矢量和标量
(1)矢量:既有大小又有方向,相加时遵从平行四边形定则的物理量,如速度、力等。
(2)标量:只有大小没有方向,相加时按算术法则的物理量,如路程、速率等。
1.合力的作用效果跟原来那几个力共同作用产生的效果相同。( √ )
2.合力与原来那几个力同时作用在物体上。( × )
3.合力的作用可以替代原来那几个力的作用。( √ )
4.求几个力的合力遵循平行四边形定则。( √ )
5.合力F总比分力中的任何一个力都大。( × )
6.两个力F1和F2间的夹角为θ,如果夹角θ不变,F1大小不变,只要F2增大,合力F就必然增大。( × )
考点一 共点力的合成
1.两个共点力的合力
(1)当两个力方向相同时,合力最大,Fmax=F1+F2。
(2)当两个力方向相反时,合力最小,Fmin=|F1-F2|。
(3)合力大小的变化范围为|F1-F2|≤F≤F1+F2。
2.三个共点力的合力
(1)最大值:当三个力同方向时,合力最大,即Fmax=F1+F2+F3。
(2)最小值
①当最大的一个力小于或等于另外两个力的代数和时,合力最小为0。
②当最大的一个力大于另外两个力的代数和时,合力的最小值等于最大的一个力减去另外两个力的代数和。
3.求合力的方法
(1)作图法:作出力的图示,结合平行四边形定则,用刻度尺量出表示合力的线段的长度,再结合标度算出合力大小。
(2)计算法:根据平行四边形定则作出力的示意图,然后利用勾股定理、三角函数、正弦定理等求出合力。
4.重要结论
(1)两个分力的大小一定时,夹角θ越大,合力越小。
(2)合力一定时,两个分力的夹角越大,两分力越大。
考向1合力与分力的关系
【典例1】 (多选)下列有关合力和分力的关系说法正确的是( BD )
A.两个力的合力一定大于这两个力中的任意一个
B.两个分力大小一定,夹角越大,合力越小
C.合力及其分力同时作用于同一物体上
D.两个力的合力可以等于这两个力中的任意一个
【解析】 两个分力F1、F2的合力范围为|F1-F2|≤F≤F1+F2,当F1=F2时,合力的最小值为零,可知合力可能比每个分力都大,可能比每个分力都小,也可能等于分力的大小,故A错误,D正确;根据平行四边形定则,两个分力大小一定,夹角越大,合力越小,故B正确;合力及其分力是一种效果相同的等效关系,并没有同时作用于同一物体上,故C错误。
考向2合力的计算
【典例2】 如图所示,一个“Y”字形弹弓顶部跨度为L,两根相同的橡皮条均匀且弹性良好,其自由长度均为L,在两橡皮条的末端用一块软羊皮(长度不计)做成裹片可将弹丸发射出去。若橡皮条的弹力满足胡克定律,且劲度系数为k,发射弹丸时每根橡皮条的最大长度为2L(弹性限度内),则弹丸被发射过程中所受的最大弹力为( A )
A. B.
C.kL D.2kL
【解析】 根据胡克定律知,每根橡皮条的弹力F=k(2L-L)=kL,设此时两根橡皮条的夹角为θ,如图根据几何关系知sin =,根据平行四边形定则知,弹丸被发射过程中所受的最大弹力F合=2F cos =,故选A。
利用平行四边形定则求共点力合力的技巧
运用平行四边形定则进行力的合成,一般把两个分力、一个合力放在平行四边形的一半中,再利用三角形知识分析求解。图甲中F=,图乙中F=2F1cos ,图丙中F=F1=F2。
1.(多选)5个共点力的情况如图所示。已知F1=F2=F3=F4=F,且这4个力恰好围成一个正方形,F5是其对角线。下列说法正确的是( AD )
A.F1和F5的合力与F3大小相等、方向相反
B.F5=2F
C.除F5以外的4个力的合力的大小为F
D.这5个力的合力大小为F,方向与F1和F3的合力方向相同
解析:力的合成遵从平行四边形定则或三角形定则,根据这5个力的特点,F1和F5的合力与F3大小相等,方向相反;F1和F3的合力与F5大小相等、方向相反;F2和F4的合力与F5大小相等、方向相反;又F1、F2、F3、F4恰好围成一个正方形,合力的大小为2F,F5=F,所以这5个共点力的合力大小等于F,方向与F5相反。故A、D正确,B、C错误。
2.一物体受到三个共面共点力F1、F2、F3的作用,三力的矢量关系如图所示(小方格边长相等),则下列说法正确的是( B )
A.三力的合力有最大值F1+F2+F3,方向不确定
B.三力的合力有唯一值3F3,方向与F3同向
C.三力的合力有唯一值2F3,方向与F3同向
D.由题给条件无法求合力大小
解析:先以力F1和F2为邻边作平行四边形,其合力与F3共线,大小F12=2F3,如图所示,F12再与第三个力F3合成求合力F合,可得F合=3F3,故选B。
考点二 力的分解
1.力的分解常用的方法
项目 正交分解法 按研究问题需要分解力
分解 方法 将一个力沿着两个互相垂直的方向进行分解 根据一个力产生的实际效果进行分解
实例 分析 x轴方向上的分力:Fx=F cos θ y轴方向上的分力:Fy=F sin θ F1=, F2=G tan θ
2.力的分解方法选取原则
(1)一般来说,当物体受到三个或三个以下的力时,常按问题需要进行分解,若这三个力中,有两个力互相垂直,优先选用正交分解法。
(2)当物体受到三个以上的力时,常用正交分解法。
3.力的分解多解性的思路
已知一个分力F1的方向和另一个分力F2的大小,对力F进行分解,如图所示,有三种可能:(F1与F的夹角为θ)
(1)F2(2)F2=F sin θ或F2≥F时有一组解。
(3)F sin θ考向1按研究问题需要分解力的应用
【典例3】 用卡车运输质量为m的匀质圆筒状工件,为使工件保持固定,将其置于两光滑斜面之间,如图所示。两斜面Ⅰ、Ⅱ固定在车上,倾角分别为30°和60°,重力加速度为g。当卡车沿平直公路匀速行驶时,工件对斜面Ⅰ、Ⅱ压力的大小分别为F1、F2,则( D )
A.F1= mg,F2= mg
B.F1= mg,F2= mg
C.F1= mg,F2= mg
D.F1= mg,F2= mg
【解析】 将工件的重力垂直于斜面Ⅰ、Ⅱ进行分解,如图所示,由几何关系可知,F1=mg cos 30°=mg,F2=mg sin 30°=mg,故D正确。
考向2力的正交分解法的应用
【典例4】 (2024·湖北卷)如图所示,两拖船P、Q拉着无动力货船S一起在静水中沿图中虚线方向匀速前进,两根水平缆绳与虚线的夹角均保持为30°。假设水对三艘船在水平方向的作用力大小均为f,方向与船的运动方向相反,则每艘拖船发动机提供的动力大小为( B )
A.f      B.f
C.2f D.3f
【解析】 根据题意对货船S受力分析如图甲所示,正交分解可知2T cos 30°=f,所以有T=f。
对拖船P受力分析如图乙所示,则有(T sin 30°)2+(f+T cos 30°)2=F2,解得F=,故选B。
考向3力的分解多解性
【典例5】 (多选)已知力F,且它的一个分力F1跟F成30°角,大小未知,另一个分力F2的大小为F,方向未知,则F1的大小可能是( AC )
A.   B.  
C.   D.F
【解析】 根据题意,作出矢量三角形如图,通过几何关系得,F1=F或F1=F,故A、C正确,B、D错误。
考点三 “活结”与“死结”、“动杆”与“定杆”问题
考向1“死结”与“活结”模型
模型 模型解读 模型示例
“死结” 模型 “死结”可理解为把绳子分成两段,且不可以沿绳子移动的结点。“死结”两侧的绳因结而变成了两根独立的绳,因此由“死结”分开的两段绳子上的弹力不一定相等
“活结” 模型 “活结”可理解为把绳子分成两段,且可以沿绳子移动的结点。“活结”分开的两段绳子上弹力的大小一定相等
【典例6】 (2024·浙江1月选考)如图所示,在同一竖直平面内,小球A、B上系有不可伸长的细线a、b、c和d,其中a的上端悬挂于竖直固定的支架上,d跨过左侧定滑轮、c跨过右侧定滑轮分别与相同配重P、Q相连,调节左、右两侧定滑轮高度达到平衡。已知小球A、B和配重P、Q质量均为50 g,细线c、d平行且与水平方向成θ=30°角(不计摩擦),则细线a、b的拉力分别为( D )
A.2 N,1 N B.2 N,0.5 N
C.1 N,1 N D.1 N,0.5 N
【解析】 由题意可知细线c对A的拉力和细线d对B的拉力大小相等、方向相反,对A、B整体分析可知细线a的拉力大小为Ta=(mA+mB)g=1 N,设细线b与水平方向夹角为α,对A、B分析分别有Tb sin α+Tc sin θ=mAg,Tb cos α=Td cos θ,解得Tb=0.5 N,故选D。
考向2“动杆”与“定杆”模型
1.动杆:若轻杆用光滑的转轴或铰链连接,当杆处于平衡时,杆所受到的弹力方向一定沿着杆,否则会引起杆的转动。如图甲所示,C为转轴,B为两绳的结点,轻杆在缓慢转动过程中,弹力方向始终沿杆的方向。
2.定杆:若轻杆被固定不发生转动,则杆所受到的弹力方向不一定沿杆的方向,如图乙所示。
【典例7】 (多选)图甲中轻杆OA的A端固定在竖直墙壁上,另一端O光滑,一端固定在竖直墙壁B点的细线跨过O端系一质量为m的重物,OB水平;图乙中轻杆O′A′可绕A′点自由转动,另一端O′光滑;一端固定在竖直墙壁B′点的细线跨过O′端系一质量也为m的重物。已知图甲中∠BOA=30°,下列说法正确的是( AC )
A.图甲轻杆中弹力大小为mg
B.图乙轻杆中弹力大小为mg
C.图甲中轻杆中弹力与细线OB中拉力的合力方向一定沿竖直方向
D.图乙中细线对轻杆弹力可能不沿杆
【解析】 由于题图甲轻杆OA为“定杆”,其O端光滑,可以视为活结,两侧细线中拉力大小相等,都等于mg,由力的平衡条件可知,题图甲轻杆中弹力大小为F甲=2mg cos 45°=mg,故A正确;题图乙中轻杆O′A′可绕A′点自由转动,为“动杆”,另一端O′光滑,可以视为活结,O′两侧细线中拉力相等,“动杆”中弹力方向一定沿“动杆”方向,“动杆”O′A′中弹力大小等于O′两侧细线中拉力的合力大小,两细线夹角不确定,则轻杆中弹力大小无法确定,故B、D错误;根据共点力平衡条件,题图甲中轻杆弹力与细线OB中拉力的合力方向一定与竖直细线的拉力方向相反,即竖直向上,故C正确。
3.如图甲所示的玩具吊车,其简化结构如图乙所示,杆AB固定于平台上且不可转动,其B端固定一光滑定滑轮;轻杆CD用铰链连接于平台上,可绕C端自由转动,其D端连接两条轻绳,一条轻绳绕过滑轮后悬挂一质量为m的重物,另一轻绳缠绕于电动机转轴O上,通过电动机的牵引控制重物的起落。某次吊车将重物吊起至一定高度后保持静止,此时各段轻绳与杆之间的夹角如图乙所示,其中两杆处于同一竖直面内,OD绳沿竖直方向,γ=37°,θ=90°,重力加速度大小为g,则( D )
A.α一定等于β
B.AB杆受到绳子的作用力大小为mg
C.CD杆受到绳子的作用力方向沿∠ODB的角平分线方向,大小为mg
D.当启动电动机使重物缓慢下降时,AB杆受到绳子的作用力将逐渐增大
解析:AB杆固定于平台上,力不一定沿杆,同一条绳的力大小相等,其合力一定在其角平分线上,由于力不一定沿杆,所以α不一定等于β,故A错误;如图所示,由两个力T所作力的平行四边形为菱形,根据平衡条件可得T=mg,根据几何关系可得α+β=53°,对角线为F杆,则AB杆受到绳子的作用力大小为F杆=2T cos ≠mg,故B错误;根据题意D端连接两条轻绳,两条轻绳的力不一定大小相等,且CD杆为铰链连接,为“活”杆,杆力沿着杆的方向,水平方向有F′杆cos 53°=T cos 37°=mg cos 37°,解得F′杆=mg,故C错误;当启动电动机使重物缓慢下降时,即T=mg不变,α+β变小,根据F杆=2T cos ,可知F杆变大,故D正确。
课时作业9
1.(5分)三个共点力大小分别是F1、F2、F3,关于它们的合力F的大小,下列说法正确的是( C )
A.F大小的取值范围一定是0≤F≤F1+F2+F3
B.F至少比F1、F2、F3中的某一个大
C.若F1∶F2∶F3=3∶6∶8,只要适当调整它们之间的夹角,一定能使合力为0
D.若F1∶F2∶F3=3∶6∶2,只要适当调整它们之间的夹角,一定能使合力为0
解析:合力不一定大于分力,B错误;三个共点力的合力的最小值能否为0,取决于任何一个力是否都在其余两个力的合力范围内,由于三个力大小未知,所以三个力的合力的最小值不一定为0,A错误;当三个力的大小分别为3 N、6 N、8 N时,其中任何一个力都在其余两个力的合力范围内,三个力的合力可能为0,C正确;当三个力的大小分别为3 N、6 N、2 N时,不满足上述情况,D错误。
2.(5分) (2023·重庆卷)矫正牙齿时,可用牵引线对牙施加力的作用。若某颗牙齿受到牵引线的两个作用力大小均为F,夹角为α(如图所示),则该牙所受两牵引力的合力大小为( B )
A.2F sin B.2F cos
C.F sin α D.F cos α
解析:根据平行四边形定则可知,该牙所受两牵引力的合力大小为F合=2F cos ,故选B。
3.(5分)如图所示,人游泳时若某时刻手掌对水的作用力大小为F,该力与水平方向的夹角为30°,则该力在水平方向的分力大小为( D )
A.2F B.F
C.F D.F
解析:沿水平方向和竖直方向将手掌对水的作用力分解,则该力在水平方向的分力大小为F cos 30°=F,故选D。
4.(5分)两个夹角为θ,大小分别是2 N和3 N的力作用于同一物体,这两个力的合力F与夹角θ的关系,下列图中表示正确的是( A )
解析:设F1=2 N,F2=3 N,由力合成的平行四边形定则可知,合力大小F=
,θ在0~π之间,两个力之间的夹角越大,合力F越小,当θ=π时,合力最小,Fmin=1 N,在π<θ<2π时,两个力之间的夹角越大,合力F越大,θ=2π时,合力最大,Fmax=5 N,故A正确,B、C、D错误。
5.(5分) (2023·浙江6月选考)如图所示,水平面上固定两个平行的半圆柱体,重力为G的光滑圆柱体静置其上,a、b为相切点,∠aOb=90°,半径Ob与重力的夹角为37°。已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则圆柱体受到的支持力Fa、Fb大小为( D )
A.Fa=0.6G,Fb=0.4G
B.Fa=0.4G,Fb=0.6G
C.Fa=0.8G,Fb=0.6G
D.Fa=0.6G,Fb=0.8G
解析:对光滑圆柱体受力分析如图所示,由题意有Fa=G sin 37°=0.6G,Fb=G cos 37°
=0.8G,故选D。
6.(5分)将F=40 N的力分解为F1和F2,其中F1的方向与F的夹角为30°,如图所示,则( B )
A.当F2<20 N时,一个F2有一个F1的值相对应
B.当F2=20 N时,F1的值是20 N
C.当F2>40 N时,一个F2就有两个F1的值与它相对应
D.当10 N解析:根据矢量三角形法则,如图所示,当F2的方向与F1垂直时F2最小,最小值为F2=F sin 30°=40× N=20 N,当F2<20 N时,无解,故A、D错误;当F2=20 N时,F1的值是F1=F cos 30°=20 N,故B正确;根据A选项分析可知,当F2>40 N时,此时F2只能处于图中F2最小值右侧,故此时一个F2只有一个F1的值与它相对应,故C错误。
7.(5分)如图所示,悬挂物体甲的细线拴牢在一不可伸长的轻质细绳上O点处;绳的一端固定在墙上,另一端通过光滑定滑轮与物体乙相连。甲、乙两物体质量相等。系统平衡时,O点两侧绳与竖直方向的夹角分别为α和β。若α=70°,则β等于( B )
A.45° B.55°
C.60° D.70°
解析:对O点进行受力分析,如图所示,因为甲、乙两物体质量相等,所以F1与F2大小相等,合成的平行四边形为菱形,α=70°,则∠1=∠2=55°,F1和F2的合力与F3等大、反向,β=∠2,B正确。
8.(5分)如图是扩张机的原理示意图,A、B为活动铰链,C为固定铰链,在A处作用一水平力F,滑块E就以比F大得多的压力向上顶物体D。已知图中2l=1.0 m,b=0.05 m,F=400 N,滑块E与左壁接触,接触面光滑,则D受到向上顶的力为(滑块和杆的重力不计)( B )
A.3 000 N B.2 000 N
C.1 000 N D.500 N
解析:将力F沿AB和AC两个方向进行分解,如图甲所示,则有2F1cos α=F,解得F1=F2=,再将F1分解为FN和F′N,如图乙所示,则有FN=F1sin α,联立解得FN=,根据几何知识可知tan α==10,得到FN=5F=2 000 N,B正确。
9.(5分)科学地佩戴口罩,对于呼吸道传染病具有预防作用,既保护自己,又有利于公众健康。如图为一侧耳朵佩戴口罩的示意图,一侧的口罩带是由直线AB、弧线BCD和直线DE组成的。假若口罩带可认为是一段劲度系数为k的弹性轻绳(遵循胡克定律),在佩戴好口罩后弹性轻绳被拉长了x,此时AB段与水平方向的夹角为37°,DE段与水平方向的夹角为53°,弹性绳涉及的受力均在同一平面内,不计摩擦,已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则耳朵受到口罩带的作用力为( B )
A.kx,方向与水平向右成45°角
B.kx,方向与水平向左成45°角
C.kx,方向与水平向左成45°角
D.2kx,方向与水平向右成45°角
解析:耳朵分别受到AB、ED段口罩带的拉力FAB、FED,且FAB=FED=kx,将两力正交分解如图所示,FABx=FAB·cos 37°,FABy=FAB·sin 37°;FEDx=FED·cos 53°,FEDy=FED·sin 53°,水平方向合力Fx=FABx+FEDx,竖直方向合力Fy=FABy+FEDy,解得Fx=kx,Fy=kx;耳朵受到口罩的作用力F合==kx,方向与水平向左成45°角。故选B。
10.(5分) (2024·河北卷)如图所示,弹簧测力计下端挂有一质量为0.20 kg的光滑均匀球体,球体静止于带有固定挡板的斜面上,斜面倾角为30°,挡板与斜面夹角为60°。若弹簧测力计位于竖直方向,读数为1.0 N,g取10 m/s2,挡板对球体支持力的大小为( A )
A. N B.1.0 N
C. N D.2.0 N
解析:对球体受力分析如图所示,由几何关系得力F与力FN与竖直方向的夹角均为30°,因此由正交分解方程可得FNsin 30°=F sin 30°,FNcos 30°+F cos 30°+T=mg,解得F=FN= N,故选A。
11.(5分) (2023·广东卷)如图所示,可视为质点的机器人通过磁铁吸附在船舷外壁面检测船体。壁面可视为斜面,与竖直方向夹角为θ。船和机器人保持静止时,机器人仅受重力G、支持力FN、摩擦力Ff和磁力F的作用,磁力垂直壁面。下列关系式正确的是( C )
A.Ff=G B.F=FN
C.Ff=G cos θ D.F=G sin θ
解析:如图所示,将重力沿垂直于壁面方向和沿壁面方向分解,沿壁面方向,由平衡条件得Ff=G cos θ,A错误,C正确;垂直壁面方向,由平衡条件得F=G sin θ+FN,B、D错误。
12.(11分)如图所示,水平轻绳AC一端固定在墙上,另一端连接小球A;另一根轻绳跨过光滑定滑轮后分别连接小球A和水平地面上的物体B。已知物体B的质量mB=3 kg,小球A的质量mA= kg。跨过定滑轮的轻绳两侧与竖直方向夹角均为30°,小球A和物体B均处于静止状态,重力加速度g取10 m/s2,求:
(1)轻绳AC的拉力大小;
(2)物体B所受地面的摩擦力大小和支持力大小。
解析:(1)对小球A进行受力分析可知,小球A受重力、轻绳AC的拉力和轻绳OA的拉力,根据平衡条件得FAC=mAg tan 30°,FOA=,解得FAC=10 N。
(2)轻绳OA和OB为定滑轮两边的细绳,拉力相等,即FOA=FOB,物体B受重力、轻绳OB的拉力、地面的摩擦力Ff和支持力FN,则有Ff=FOBsin 30°,FOBcos 30°+FN=mBg,解得Ff=10 N,FN=(30-10) N。
答案:(1)10 N (2)10 N (30-10) N
13.(14分)如图所示,竖直墙面上有一悬物架,悬物架由三根轻质细杆构成,三根细杆的一端连接到同一顶点O,另一端分别连接到竖直墙壁上的A、B、C三个点,O、A、B、C点处分别是四个可以向各个方向自由转动的轻质光滑铰链(未画出)。在O点用轻绳悬挂一个质量为m的重物,已知AB=AC=BO=CO,△BOC所在的面为水平面,∠BOC=60°,重力加速度为g,求:
(1)OA杆对墙壁的作用力大小;
(2)OB杆对墙壁的作用力大小。
解析:(1)O、A、B、C点处分别是四个可以向各个方向自由转动的轻质光滑铰链,则轻杆作用力方向只能沿杆,根据几何知识可知△BOC和△ABC为全等的正三角形,两三角形所在平面相互垂直,故可知AO杆与竖直方向夹角为45°,对O点,根据竖直方向平衡条件TOAsin 45°=mg,解得TOA=mg,结合牛顿第三定律可知OA杆对墙壁的作用力大小为mg。
(2)对O点,根据水平方向平衡条件可得OB杆和OC杆的合力为T=TOAcos 45°=mg,根据力的分解,可知OB杆对O点的作用力大小为TOB==mg,结合牛顿第三定律可知OB杆对墙壁的作用力大小为mg。
答案:(1)mg (2)mg
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