【重难点集训】3.5二力平衡实验探究（尖子生培优）（含答案）

二力平衡实验探究 尖子生培优
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重难点一、平衡力与相互作用力概念与区别
定 义：一个物体在两个力的作用下，如果保持静止或匀速直线运动状态，就说明这两个力是平衡的，或者说物体处于二力平衡状态。
条 件：作用在一物体上的两个力，必须大小相等、方向相反，并作用在同一条直线上。
判 断：①物体在两个力作用下保持静止状态或匀速直线运动状态；②两个力同时满足二力平衡的四个条件。
注 意：平衡力与相互作用力区分时，应注意平衡力作用在一个物体上，而相互作用力作用在两个不同的物体上。
重难点二、二力平衡的应用（受力分析，较难）
受力分析：物体在两个力作用处于平衡状态时，根据一个力大小和方向，判断另一个力的大小和方向。
判断状态：如果一个物体受力平衡，则物体处于静止或匀速直线运动状态。
重难点三、二力平衡的条件（实验探究）
使用控制变量法：
①两个力方向相反且同一直线
②两个力大小相同
③作用在同一物体上
重难点一、平衡力与相互作用力概念与区别
1、如图所示，P、Q两物体分别放在同一桌面上，分别在FP＝5N、FQ＝3N的水平拉力作用下做匀速直线运动，可以确定(　B　)
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A．物体P的速度一定大于物体Q的速度
B．若mP＝mQ，则物体P一定比物体Q粗糙
C．物体P受到的摩擦力可能等于物体Q受到的摩擦力
D．物体Q对桌面的压力一定大于物体P对桌面的压力
2、体操运动员静止在平衡木上时，与运动员所受重力是一对平衡力的是( A )
A．平衡木对运动员的支持力 B．运动员对平衡木的压力
C．平衡木受到的重力 D．运动员对地球的吸引力
3．如图所示，在竖直平面内用轻质细线悬挂一个小球，将小球拉至A点，使细线处于拉直状态，由静止开始释放小球，不计空气阻力，小球可在A、F、B三点间来回摆动，A和B是最高点，F是最低点。下列说法正确的是 (　D　)
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A．当小球到达B点时受平衡力
B．小球到达最低点F时撤去一切外力，由于惯性，它将保持原来的圆周运动
C．当小球到达最高点A时撤去一切外力，它将做匀速直线运动
D．当小球摆动到B点时，细线恰好断开，则小球将沿BE方向运动
4．对于放在水平桌面上的书，下述几对力中属于相互作用力的是( D )
A．书对桌面的压力与书所受的重力
B．书对桌面的压力加上书的重力与桌面对书的支持力
C．书所受的重力与桌面对书的支持力
D．书对桌面的压力与桌面对书的支持力
5．氢气球下吊一小重物G在空气中做匀速直线运动，若不计空气阻力和风的影响，而小重物G恰能沿MN方向斜向上升，下图中气球和重物G在运动中所处的位置正确的是(　D　)
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　　 A　　　 　B　　 　C　　　　 　D
6、如图所示，王爷爷推着失去动力的汽车在平直道路上匀速前进，下列说法中正确的是(　B　)
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A．汽车对地面的压力与地面对汽车的支持力是一对平衡力
B．汽车所受的推力与地面对汽车的摩擦力是一对平衡力
C．汽车所受的重力与汽车对地面的压力是一对相互作用力
D．汽车对王爷爷的推力与地面对王爷爷的摩擦力是一对相互作用力
7．嫦娥三号着陆器向下喷气获得反推力，以较小速度向月面匀速降落。着陆器匀速降落时重力与反推力(C)
A．施力物体相同 B．是相互作用力
C．是一对平衡力 D．其合力向下
8．四旋翼无人机下方用细线悬挂一个重物，不考虑空气阻力，则无人机在空中(B)
A．悬停时，重物受到的重力与它对细线的拉力是一对平衡力
B．加速上升时，细线对重物的拉力大于重物所受的重力
C．匀速下降时，重物所受的重力大于细线对重物的拉力
D．水平匀速飞行时，悬挂重物的细线会偏离竖直方向
9．如图所示，A、B、C三个石块叠在一起处于静止状态，下列说法正确的是 (　D　)
A．石块B所受A的压力和C的支持力大小相等，方向相反
B．石块B受到石块A的重力和压力的作用
C．石块B受到的重力和石块C对石块B的支持力是一对平衡力
D．石块B对石块C的压力和石块C对石块B的支持力是一对相互作用力
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10．如图所示，将小车放在水平桌面上，用轻绳跨过定滑轮与钩码相连，在轻绳的拉力作用下沿桌面做匀速运动。若突然剪断轻绳，则下列关于小车的叙述正确的是(　A　)
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A．小车将运动得越来越慢
B．小车对桌面的压力和桌面对小车的支持力是一对平衡力
C．小车将继续向前匀速运动
D．受到的摩擦力将越来越大
【解析】由小车沿桌面做匀速运动知道，小车受到的力是平衡力，即竖直方向上重力和支持力是平衡力，水平方向上拉力和摩擦力是平衡力。若突然剪断轻绳，拉力消失，在水平方向上小车只受向左的摩擦力，由于摩擦力方向与小车的运动方向相反，所以小车做减速运动，速度越来越慢。影响摩擦力的因素是压力大小和接触面的粗糙程度，当突然剪断轻绳时，小车对接触面的压力与接触面的粗糙程度都不变，所以受到的摩擦力大小不变。
重难点二、二力平衡的应用（受力分析，较难）
1．空中匀速下降的两只降落伞，其总质量相等，甲的速度是4米/秒，乙的速度是5米/秒，则甲、乙所受阻力之比为(C)
A．4∶5 B．5∶4 C．1∶1 D．4∶1
2．如图所示，小球沿弧形斜槽从A点运动到水平轨道的B点时，如果小球受到的外力突然全部消失，那么小球的运动状态将是（　A　）
A．匀速直线运动 B．立即停止运动 C．速度越来越快 D．速度越来越慢
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3．如图所示，A、B两物体的重力分别为30牛、40牛，A用细绳悬挂在顶板上，B放在水平地面上，A、B之间有弹簧固定连接，绳和弹簧重均不计。若已知弹簧由于形变而产生的弹力为20牛，那么绳对物体A的拉力(A)
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A．可能是10牛 B．一定是70牛 C．一定是50牛 D．可能是90牛
4．如图所示，两个完全相同的条形磁铁A和B，质量均为m，将它们竖直放在水平地面上，用弹簧测力计通过一根细线竖直向上拉磁铁A，若弹簧测力计读数为mg，则B对A的支持力F1以及水平地面对B的支持力F2分别为(　　)
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A．F1＝0，F2＝mg B．F1＝mg，F2＝0 C．F1>0，F20，F2＝mg
【解析】磁铁A受到向下的重力、向上的拉力、B对A向下的引力和B对A向上的支持力，这四个力平衡，因为拉力和重力大小相等，所以B对A向下的引力和B对A向上的支持力相等，所以F1>0，但不一定等于mg。把磁铁A和B当成一个整体，这个整体的重力等于2mg，向上的拉力为mg，还有地面对整体向上的支持力，根据这三个力平衡，所以水平地面对B的支持力F2的大小等于mg。
5．竖直向上抛出一小球(忽略空气阻力)小球到达最高点时处于非平衡(填“平衡”或“非平衡”)状态，你判断的依据是小球只受重力作用。
飞行员跳伞训练，刚跳下飞机还未打开降落伞时，飞行员处于非平衡(填“平衡”或“非平衡”)状态，打开降落伞一段时间后，开始做向下匀速直线运动，飞行员处于平衡(填“平衡”或“非平衡”)状态。（始终不考虑空气阻力）
重难点三、实验探究：二力平衡的条件
1．“探究二力平衡的条件”实验的目的是：探究当物体只受两个力作用而处于静止或匀速直线运动状态时，这两个力有怎样的关系。实验时，需要记下弹簧测力计的示数。若实验时作用在物体上的两个力方向相同，则物体不可能(填“可能”或“不可能”)处于平衡状态。
2．如图(a)、(b)所示，某小组同学以硬纸板为研究对象，利用弹簧测力计、细线等器材进行实验，该小组同学是在做“探究__二力平衡的条件__实验”。按图(a)所示进行实验操作时，应在硬纸板处于__静止__状态下读取测力计的示数；按图(b)所示进行实验操作时，放开硬纸板前，应使两测力计的示数__相等__，两细线对硬纸板拉力的方向__相反__。
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3．在“探究二力平衡的条件”实验中，小明选择了如图的装置，把小卡片两端细线绕过滑轮，并挂上钩码。
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(1)实验中选择小卡片的目的是因为可以不考虑(填“考虑”或“不考虑”)小卡片的重力；
(2)探究两个力大小关系时，应该观察细线两端所挂钩码的个数，得出结论：二力平衡两个力大小相等，方向相反；
(3)为了探究两个平衡力是否在同一条直线上，进行如下操作：旋转(填“挤压”“翻转”或“旋转”)小卡片，松手后观察小卡片是否平衡。
4．在探究“二力平衡的条件”的实验中，某同学采用的实验装置如图所示：
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实验时，小明发现当向左盘和右盘同时加入一个相等质量的砝码时，木块处于静止状态。此时木块在水平方向受到两个力的作用，这些力是__平衡__的。小明再把右盘中的砝码换成一个较重的砝码时，发现木块仍然处于静止状态，出现这种现象的原因是__木块受到向左的摩擦力__，这时木块在水平方向受到的力__平衡__(选填“平衡”或“不平衡”)。要避免这种现象产生，请你对该实验装置提出改进意见：__将木块换成小车，以减小摩擦__。
5．探究影响滑动摩擦力大小的因素。
(1)小明用弹簧测力计拉同一木块进行了三次正确的实验操作，实验情景如图甲、乙、丙所示。
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①在图乙中，木块受到的滑动摩擦力大小等于__3.4__N，方向__水平向左__。
②比较__甲、乙__两图的实验可知，滑动摩擦力的大小与压力有关。
③比较甲、丙两图的实验可知：滑动摩擦力的大小与__接触面粗糙程度__有关。
(2)在操作过程中小明还发现，弹簧测力计不沿水平方向拉动时，也可以使木块在木板上沿水平方向做匀速直线运动，如图丁所示。此过程中，木块处于__平衡__(选填“平衡”或“非平衡”)状态；弹簧测力计对木块的拉力和木块受到的滑动摩擦力__不是__(选填“是”或“不是”)一对平衡力，理由是__两个力不在同一条直线上，大小也不等__；竖直方向上，木块受到的重力和木板对它的支持力__不是__(选填“是”或“不是”)一对平衡力。
【解析】 (1)①弹簧测力计的最小刻度值为0.2N，由图乙可知此时的读数为3.4N；因为木块水平向右滑动，所以滑动摩擦力的方向水平向左。②甲、乙两图中接触面粗糙程度相同，压力不同，导致摩擦力大小不同。③甲、丙两图中的压力相同，接触面粗糙程度不同，导致摩擦力大小不同。(2)图丁中木块在各个力的作用下做匀速直线运动，因此处于平衡状态；此时摩擦力与拉力不是一对平衡力，因为两个力不在同一条直线上，大小也不等；因为竖直方向上，木块受到重力、支持力大小不相等，所以重力与支持力不是一对平衡力。
6．一质量均匀分布、正反面相同的长方形木板，以中线MN为界，对比观察左右两部分，发现粗糙程度可能不一样，哪一侧更粗糙？同学们进行了研究。
(1)①小华将滑块放在木板上，通过细线和固定的弹簧测力计相连，如图甲所示。水平向右拉动木板，待示数稳定时，记下滑块经过左、右两部分时测力计的示数F左和F右，若F左＞F右，则木板的__左__侧更粗糙，实验时__不需要__(选填“需要”或“不需要”)匀速拉动木板；
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②小华左右手戴上同样的手套，木板水平对称地放在左右手上，现左手向左移、右手向右移，使两手距离快速增大，若木板向左运动，则木板__左__侧更粗糙。
(2)小明用图乙实验装置，进行如下操作：
A．将轻弹簧的一端分别固定在板上MN左右两侧的P、Q点，另一端分别与同一滑块接触
B．移动滑块使弹簧压缩相同的长度，由静止释放滑块，使滑块越过MN但不滑离木板
C．分别测出滑块越过MN后滑行的距离x1和x2
小明想根据x1和x2的大小关系判断木板的粗糙程度，小华提出疑议。为能根据x1和x2的大小关系作出正确判断，请指出小明实验中存在的问题是不能确定滑块经过中线MN时的速度相同。
(3)小红使滑块分别从左右两侧滑上木板，测出滑块运动的速度，作出滑块从两端分别运动至MN过程中的速度v和时间t的关系图像如图丙，则图线__b__(选填“a”或“b”)所对应的接触面更粗糙，判断的依据是__b图线物块的速度变化快__。