高中物理 第二章 第3讲 受力分析 共点力的平衡课件 新人教版.ppt

第3讲受力分析共点力的平衡 知识点1受力分析1 定义把指定物体 研究对象 在特定的物理环境中受到的所有外力都找出来 并画出 示意图的过程 2 受力分析的一般顺序先分析场力 电场力 磁场力 再分析接触力 弹力 最后分析其他力 受力 重力 摩擦力 知识点2共点力的平衡 1 平衡状态物体处于 状态或 状态 2 共点力的平衡条件f合 0或者 静止 匀速直线运动 3 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 方向 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 方向 并且这三个力的矢量可以形成一个封闭的矢量 相等 相反 相等 相反 三角形 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 方向 相等 相反 思考辨析 1 物体沿光滑斜面下滑时 物体受到重力 支持力和下滑力的作用 2 速度等于零的物体一定处于平衡状态 3 物体的平衡状态是指物体处于静止或速度等于零的状态 4 物体处于平衡状态时 加速度等于零 5 二力平衡时 这两个力必定等大反向 6 若物体受到三个力f1 f2 f3的作用而平衡 将f1转动90 时 三个力的合力大小为f1 7 多个共点力平衡时 其中任何一个力与其余各力的合力大小相等 方向相反 分析 物体沿光滑斜面下滑时 物体受到重力和支持力的作用 下滑力是效果力 并不存在 1 错 物体的速度等于零不同于静止 物理上的静止是指v 0 a 0 处于平衡状态 而物体只是速度为零不一定处于平衡状态 如物体竖直上抛的最高点速度为零 但不是平衡状态 2 错 物体的平衡状态一定是a 0 即物体处于静止或匀速直线运动状态 3 错 4 对 一个物体在两个共点力的作用下处于平衡状态 这两个力一定等大 反向 5 对 若一个物体在三个力f1 f2 f3作用下处于平衡状态 则任意一个力f1与另两个力f2 f3的合力等大 反向 故将f1转动90 时 三个力的合力大小为f1 6 对 多个共点力平衡时 其中任何一个力与其余各力的合力大小相等 方向相反 7 对 考点1物体的受力分析 三年10考 拓展延伸 考点解读 受力分析的常用方法与注意的问题1 整体法和隔离法 2 假设法在受力分析时 若不能确定某力是否存在 可先对其作出存在的假设 然后分析该力存在对物体运动状态的影响来判断该力是否存在 3 应注意的四个问题 1 不要把研究对象所受的力与研究对象对其他物体的作用力混淆 2 对于分析出的物体受到的每一个力 都必须明确其来源 即每一个力都应找出其施力物体 不能无中生有 3 区分合力与分力 研究对象的受力图 通常只画出物体实际受到的力 不要把按效果命名的分力或合力分析进去 受力图完成后再进行力的合成或分解 4 区分内力与外力 对几个物体的整体进行受力分析时 这几个物体间的作用力为内力 不能在受力图中出现 当把某一物体单独隔离分析时 内力变成外力 要在受力分析图中画出 典例透析1 2012 山东高考改编 如图所示 两相同轻质硬杆oo1 oo2可绕其两端垂直纸面的水平轴o o1 o2转动 在o点悬挂一重物m 将两相同木块m紧压在竖直挡板上 此时整个系统保持静止 ff表示木块与挡板间摩擦力的大小 fn表示木块与挡板间正压力的大小 若挡板间的距离稍许增大后 系统仍静止 且o1 o2始终等高 则 a ff变小b ff不变c fn变小d fn不变 解题探究 1 请以整体为研究对象 分析竖直方向上的受力情况 受到的力 摩擦力 摩擦力的大小和方向 2 要分析fn的大小变化 研究对象怎样选取 提示 先以m为研究对象 挡板对其正压力fn的大小与杆对m的作用力大小存在关系 故还要分析转轴o点的受力情况才能判断fn的大小变化情况 重力 与重力等大反向 解析 选b 以两个木块m和重物m整体作为研究对象 在竖直方向上 ff 与挡板间的距离无关 a错误 b正确 如图所示 以轴o点为研究对象 杆对轴o的作用力为f 再以木块m为研究对象 挡板对木块的正压力fn fsin 当挡板间的距离稍许增大时 增大 fn增大 c d错误 总结提升 受力分析的一般思路 变式训练 2013 合肥模拟 如图所示 物体m静止在粗糙斜面上 现用水平推力f作用在物体上 且物体仍保持静止状态 则现在 a 物体的合力一定增大b 物体对斜面的压力一定增大c 物体所受的摩擦力一定增大d 物体一定受4个力的作用 解析 选b 物体原来处于静止状态 物体的合力为零 水平推力f作用在物体上后物体仍保持静止状态 物体的合力仍为零 a错误 原来物体对斜面的压力为fn mgcos 加力f后压力变为f n mgcos fsin b正确 加力f后物体受到的摩擦力可以为零 物体可以受3个力作用 c d错误 变式备选 如图所示 顶端装有定滑轮的斜面体放在粗糙水平地面上 a b两物体通过细绳连接 并处于静止状态 不计绳的质量和绳与滑轮间的摩擦 现用水平向右的力f作用于物体b上 将物体b缓慢拉高一定的距离 此过程中斜面体与物体a仍然保持静止 在此过程中 a 水平力f一定变小b 斜面体所受地面的支持力一定变大c 地面对斜面体的摩擦力一定变大d 物体a所受斜面体的摩擦力一定变大 解析 选c 这是典型的相互作用中的静力学问题 取物体b为研究对象分析其受力情况如图 则有f mgtan ft 在物体b被缓慢拉高的过程中 增大 则水平力f随之变大 故a错 对a b两物体与斜面体这个整体而言 由于斜面体与物体a仍然保持静止 则地面对斜面体的摩擦力一定变大 故c正确 但是因为整体竖直方向并没有其他力 故斜面体所受地面的支持力应该没有变 故b错 在这个过程中尽管绳子张力变大 但是由于物体a所受斜面体的摩擦力开始并不知道其方向 故物体a所受斜面体的摩擦力的情况无法确定 故d错 考点2平衡条件的应用 三年12考 拓展延伸 考点解读 2 处理平衡问题的两点说明 1 物体受三个力平衡时 利用力的分解法或合成法比较简单 2 解平衡问题建立坐标系时应使尽可能多的力与坐标轴重合 需要分解的力尽可能少 物体受四个以上的力作用时一般要采用正交分解法 典例透析2 如图所示 位于竖直侧面的物体a的质量ma 0 2kg 放在水平面上的物体b的质量mb 1 0kg 绳和滑轮间的摩擦不计 且绳的ob部分水平 oa部分竖直 a和b恰好一起匀速运动 取g 10m s2 1 求物体b与水平面间的动摩擦因数 2 如果用水平力f向左拉物体b 使物体a和b做匀速运动需多大的拉力 解题探究 1 请分别画出物体a b的受力分析图 提示 2 用力f向左匀速拉b时 b受到的绳的拉力和摩擦力如何变化 提示 因用力f向左匀速拉b 故a b仍受力平衡 绳拉力大小不变 摩擦力大小也不变 但方向由水平向左变成水平向右 解析 1 因物体a和b恰好一起匀速运动 所以物体a b均处于平衡状态 由平衡条件得对a ft mag 0对b ft fn 0fn mbg 0解得 0 2 2 如果用水平力f向左拉物体b 使物体a和b做匀速运动 此时水平绳的拉力与滑动摩擦力的大小均不变 对物体b由平衡条件得 f ft fn 0解得 f 4n答案 1 0 2 2 4n 互动探究 若f与水平方向成37 角向左拉物体b 使物体a和b做匀速运动需多大的拉力 sin37 0 6 cos37 0 8 解析 物体a和b一起匀速运动 由平衡条件得 对a ft mag 0对b fcos37 ft fn 0 fsin37 fn mbg 0解得 f 4 35n答案 4 35n 总结提升 应用平衡条件解题的步骤 1 选取研究对象 根据题目要求 选取一个平衡体 单个物体或系统 也可以是结点 作为研究对象 2 画受力示意图 对研究对象进行受力分析 画出受力示意图 3 正交分解 选取合适的方向建立直角坐标系 将所受各力正交分解 4 列方程求解 根据平衡条件列出平衡方程 解平衡方程 对结果进行讨论 考点3平衡中的临界与极值问题 三年5考 解题技巧 考点解读 1 动态平衡问题通过控制某些物理量 使物体的状态发生缓慢的变化 而在这个过程中物体又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 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 等语言叙述 3 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 4 解决动态平衡 临界与极值问题的常用方法 典例透析3 2012 新课标全国卷 拖把是由拖杆和拖把头构成的擦地工具 如图 设拖把头的质量为m 拖杆质量可忽略 拖把头与地板之间的动摩擦因数为常数 重力加速度为g 某同学用该拖把在水平地板上拖地时 沿拖杆方向推拖把 拖杆与竖直方向的夹角为 1 若拖把头在地板上匀速移动 求推拖把的力的大小 2 设能使该拖把在地板上从静止刚好开始运动的水平推力与此时地板对拖把的正压力的比值为 已知存在一临界角 0 若 0 则不管沿拖杆方向的推力多大 都不可能使拖把从静止开始运动 求这一临界角的正切tan 0 解题探究 1 对拖把受力分析 试分析其受到的力及各力的合力 受到的力 各力的合力 2 请画出拖把的受力分析图 提示 重力 推力 支持力 摩擦力 为零 解析 1 设该同学沿拖杆方向用大小为f的力推拖把 将推拖把的力沿竖直和水平方向分解 根据平衡条件有fcos mg fn fsin ff 式中fn和ff分别为地板对拖把的正压力和摩擦力 则ff fn 联立 式得f 2 使该拖把在地板上从静止刚好开始运动的水平推力等于最大静摩擦力 设为ffm 则依题意有 若不管沿拖杆方向用多大的力都不能使拖把从静止开始运动 应满足fcos mg fn fsin ffm 解 式得f sin cos mg 因为上式右边 mg总是大于零 要使得f为任意值时 上式总是成立 只要满足sin cos 0 即有tan 上式取等号即为临界状态 则tan 0 答案 1 2 总结提升 处理平衡中临界问题的两点注意 1 首先 要正确进行受力分析 搞清临界条件并且要利用好临界条件 列出平衡方程 对于分析极值问题 要善于选择物理方法和数学方法 做到数理的巧妙结合 2 对于不能确定的临界状态 我们采取的基本思维方法是假设推理法 即先假设为某状态 然后再根据平衡条件及有关知识列方程求解 变式训练 2013 武汉模拟 如图所示 水平面上有一个倾角为 30 的斜劈 质量为m 一个光滑小球 质量也为m 用绳子悬挂起来 绳子与斜面的夹角为 30 整个系统处于静止状态 1 求出绳子的拉力ft 2 若地面对斜劈的最大静摩擦力ffm等于地面对斜劈的支持力的k倍 为了使整个系统始终保持静止 k值必须满足什么条件 解析 1 对小球受力分析 如图所示 由平衡条件得 mgsin ftcos 0解得ft mg 2 对斜劈和小球组成的整体受力分析 如图所示 由平衡条件得 水平方向 ftcos ff 0竖直方向 ftsin 2mg 0又ff ffm k联立各式解得k 答案 1 mg 2 k 典例透析 质量均为m的a b两木块叠放在水平面上 如图所示 a受到斜向上与水平面成 角的力f作用 b受到斜向下与水平面成 角等大的力f作用 两力在同一竖直平面内 此时两木块保持静止 则 a b对a的支持力一定等于mgb 水平面对b的支持力可能大于2mgc a b之间一定存在静摩擦力d b与水平面之间可能存在静摩擦力 备选例题 规范解答 选c 对a b整体 合外力为零 故地面与b之间无摩擦力 否则无法平衡 d错误 由竖直方向受力平衡可知两个力f的竖直分量平衡 故地面对b的支持力等于2mg b错误 对a采用隔离法分析 受到竖直向上的b对a的支持力 竖直向下的重力 水平向左的摩擦力和力f四个力的作用 摩擦力不可能为零 否则a不能平衡 由竖直方向受力平衡条件知b对a的支持力小于a的重力mg a错误 c正确 双基题组 1 2013 东营模拟 如图所示 两个等大 反向的水平力f分别作用在物体a和b上 a b两物体均处于静止状态 若各接触面与水平地面平行 则a b两物体各受几个力 a 3个 4个b 4个 4个c 4个 5个d 4个 6个 解析 选c 对物体a受力分析 竖直方向上受两个力 重力和支持力 水平方向上受两个力 水平力f和b对a的摩擦力 即物体a共受4个力作用 对物体b受力分析 竖直方向上受3个力作用 重力 地面的支持力 a对b的压力 水平方向上受两个力作用 水平力f和a对b向右的摩擦力 即物体b共受5个力的作用 故答案c正确 2 一个挡板固定于光滑水平地面上 截面为圆的柱状物体甲放在水平面上 半径与甲相等的光滑圆球乙被夹在甲与挡板之间 没有与地面接触而处于静止状态 如图所示 现在对甲施加一个水平向左的力f 使甲沿地面极其缓慢地移动 直至甲与挡板接触为止 设乙对挡板的压力为f1 甲对地面的压力为f2 在此过程中 a f1缓慢增大 f2缓慢增大b f1缓慢增大 f2不变c f1缓慢减小 f2不变d f1缓慢减小 f2缓慢增大 解析 选c 把甲 乙看作一个整体 竖直方向仅受重力和地面的支持力 在此过程中 两物体重力不变 支持力不变 由牛顿第三定律 甲对地面的压力不变 f2不变 对乙进行受力分析 在此过程中 挡板对乙的支持力缓慢减小 由牛顿第三定律 乙对挡板的压力f1缓慢减小 所以选项c正确 3 2013 黄山模拟 如图所示 固定在水平地面上的物体a 左侧是圆弧面 右侧是倾角为 的斜面 一根轻绳跨过物体a顶点上的小滑轮 绳两端分别系有质量为m1 m2的小球 当两球静止时 小球m1与圆心连线跟水平方向的夹角也为 不计一切摩擦 圆弧面半径远大于小球直径 则m1 m2之间的关系是 a m1 m2b m1 m2tan c m1 d m1 m2cos 解析 选b 通过光滑的滑轮相连 左右两侧绳的拉力大小相等 两小球都处于平衡状态 又由受力分析可得 对m1 ft m1gcos 对m2 ft m2gsin 联立两式可得m1gcos m2gsin 所以选项b正确 高考题组 4 2011 海南高考 如图 粗糙的水平地面上有一斜劈 斜劈上一物块正在沿斜面以速度v0