（新课标卷）河北省2013年高考物理二轮专题复习 力及物体的平衡教案

1 河北河北 20132013 年高考二轮专题复习教案年高考二轮专题复习教案 力及物体的平衡力及物体的平衡 一 力的分类 1 按性质分 重力 万有引力 弹力 摩擦力 分子力 电场力 磁场力 按现代物理学理论 物体间的相互作用分四类 长程相互作用有引力相互作用 电磁相互作用 短程相互作用有 强相互作用和弱相互作用 宏观物体间只存在前两种相互作用 2 按效果分 压力 支持力 拉力 动力 阻力 向心力 回复力 3 按产生条件分 场力 非接触力 如万有引力 电场力 磁场力 接触力 如弹力 摩擦力 二 重力 地球上一切物体都受到地球的吸引 这种由于地球吸引而使物体受到 的力叫做重力 重力又可以叫做重量 实际上重力G只是万有引力F的一个分力 对地球表面上的物体 万有引 力的另一个分力是使物体随地球自转的向心力f 如图所示 由于f比G小得多 f与G的比值不超过 0 35 因此高考说明中明确指出 在地球表面附近 可以认为重力 近似等于万有引力 物体各部分都要受到重力作用 从效果上看 我们可以认为各部分受到的重力作用都集 中在一点 这一点叫做物体的重心 重心可能在物体内 也可能在物体外 三 弹力 1 弹力的产生条件 弹力的产生条件是 两个物体直接接触 并发生弹性形变 2 弹力的方向 压力 支持力的方向总是垂直于接触面指向被挤压或被支持的物体 绳对物体的拉力总是沿着绳收缩的方向 例 1 如图所示 光滑但质量分布不均的小球 球心在O 重心在P 静止 在竖直墙和桌角之间 试画出小球所受的弹力 解 由于弹力的方向总是垂直于接触面 在A点 弹力F1应该垂直于球面 所以沿半径方向指向球心O 在B点弹力F2垂直于墙面 因此也沿半径指向球 心O 对于圆球形物体 所受的弹力必然指向球心 但不一定指向重心 由于F1 F2 G为共 点力 重力的作用线必须经过O点 因此P O必在同一竖直线上 P点可能在O的正上方 不稳定平衡 也可能在O的正下方 稳定平衡 例 2 如图所示 重力不可忽略的均匀杆被细绳拉住而静止在水平面上方 试画出杆所受的弹力 解 A端所受绳的拉力F1沿绳收缩的方向 即沿绳向斜上方 B端所受的 弹力F2垂直于水平面 竖直向上 由此题可以看出 直杆两端所受的弹力并不一定沿杆的方向 与绳有区 别 F G f F1 F2 B A F2 F1 A B O P 2 从平衡的角度看 此杆受到的水平方向合力应该为零 而重力G和支持力F2在竖直方向 因此杆的下端一定还受到水平面给的向右的静摩擦力f作用 3 弹力的大小 对有明显形变的物体 如弹簧 橡皮条等 在弹性限度内 弹力的大小可以由胡克定 律计算 对没有明显形变的物体 如桌面 绳子等物体 弹力大小则要由物体的受力情况和 运动情况共同决定 这种力叫做被动力 胡克定律可表示为 在弹性限度内 F kx 即弹簧弹力大小跟形变量大小成正比 形 变量可以是伸长量也可以是压缩量 k叫做弹簧的劲度系数 简称劲度 还可以表示成 F k x 即弹簧弹力的改变量和弹簧形变量的改变量也成正比 而且比例系数仍然是弹簧 的劲度 弹簧的劲度k越大 弹簧就越 硬 同样的力F作用下形变量 x小 一根弹簧剪断成两根后 每根的劲度k都比原来的劲度大 两根弹簧串联后组成的新弹 簧总劲度变小 两根弹簧并联后组成的新弹簧总劲度变大 例 3 如右边左图所示 一根轻弹簧竖直地放在水平桌面上 下端固定 上端放一个重 物 稳定后弹簧的长度为L 现将该轻弹簧截成等长的两段 将该重物也分为重量 相等的两块 按右图连接好 稳定后两段弹簧的总长度为L 则 A L L B L L C L L D 不知道弹簧的原长 无法确定 解 把左图中原来整根弹簧想象成分为长度相等的上 下两段 则两段受的弹力大小都 等于重物的重量 其下段的长度应该和右图下段的长度相同 而上段承受的压力是原来物体 的总重量 其长度显然比右图上段的长度小 右图上段弹簧受的压力只有物体总重量的一半 因此选 B 其实本题可以把弹簧分成任意比例的两段 重物也可以分成任意比例的两部分 用同样 的分析方法 得出的结论仍然应选 B 例 4 如图所示 两物体重量分别为G1 G2 两弹簧劲度分别为k1 k2 弹簧两端与物 体和地面相连 用竖直向上的力F缓慢向上拉G2 使下面弹簧刚好恢复原长 求该过程F向 上拉动的距离 解 关键是求两种状态下每根弹簧的形变量大小 x1 x2 x1 x2 无拉力F时 x1 G1 G2 k1 x2 G2 k2 x1 x2均为压缩量 加拉力F时 x1 0 x2 G1 k2 x2 为伸长量 因此F向上拉动的距离s x1 x2 x2 11 21 21 kk GG 例 5 如图所示 将一个金属块用被压缩的弹簧卡在矩形箱子的顶部 在箱子的 上顶板和下底板上分别装有压力传感器 可将该处压力大小在计算机上显示出来 当 箱子静止时 上 下两只压力传感器的示数依次为 6N 和 10N 箱子沿竖直方向运动过 程中的某时刻 发现上面那只压力传感器的示数变为 5N 求此时刻箱子的加速度大小 和方向 取g 10m s2 解 下面的压力传感器的示数等于弹簧的弹力大小 只要上面的传感器有示数 就说明 弹簧的形变量没有改变 下面传感器的示数就不会改变 因此其示数仍是 10N 由已知得金 属块的重量为 4N 质量为 0 4kg 此时金属块所受的合外力大小为 1N 方向竖直向上 因此 加速度是 2 5m s2 方向竖直向上 可能向上做加速运动 也可能向下做减速运动 四 摩擦力 1 摩擦力产生条件 G1 x2 k2 G2 x1 x1 x2 k1 G1 G2 k2 k1 3 摩擦力的产生条件为 两物体直接接触 相互挤压 接触面粗糙 有相对运动或相对运 动的趋势 这四个条件缺一不可 两物体间有弹力是这两物体间有摩擦力的必要条件 没有弹力就不可能有摩擦力 2 滑动摩擦力大小 在接触力中 必须先分析弹力 再分析摩擦力 只有滑动摩擦力才能用公式f N 其中的N表示正压力 不一定等于物体重力G 3 静摩擦力大小 一般情况下静摩擦力大小不能用滑动摩擦定律f N计算 静摩擦力的最大值略大于 滑动摩擦力 在一般的计算中 可认为静摩擦力的最大值等于滑动摩擦力 既fm N 一般情况下静摩擦力的大小要根据物体的受力情况和运动情况共同确定 属被动力 其可能的取值范围是 0 f fm 例 6 如图所示 三个物体质量相同 与水平地面间的动摩擦因数也相同 分别受到大 小相同的力F1 F2 F3作用 其中F1 F2与水平面的夹角相同 已知甲 乙 丙都没有离开 地面 则它们所受的摩擦力大小的关系是 A 一定是甲最大 B 一定是乙最大 C 一定是丙最大 D 甲 乙所受摩擦力大小可能相同 解 从题意无法判定三个物体所受摩擦力是静摩擦力还是滑动摩擦力 若 甲 乙 丙都与 地面发生了相对滑动 根据滑动摩擦定律f N 摩擦力大小取决于它们与水平面间正压力的 大小 显然乙受的摩擦力最大而甲受的摩擦力最小 若甲 乙 丙都与地面都没有发生相对 滑 动 则它们受到的摩擦力跟F的水平分力平衡 显然丙受的摩擦力最大 而甲 乙受的摩擦 力 大小相等 本题选D 例 7 如图所示 A B为两个相同木块 A B间最大静摩擦力fm 5N 水平面光 滑 当B受到的水平拉力F为 6N 和 12N 时 A B之间的摩擦力大小分别是多大 解 先确定临界状态 A B间刚好发生相对滑动时 是一种临界状态 这种状 态下 既可以认为A B间已经发生了相对滑动 摩擦力是滑动摩擦力 大小是fm 5N 也可 以认为A B间还没有发生相对滑动 因此它们的加速度仍然相等 即aA aB 分别以A和整 体为对象 运用牛顿第二定律 可得拉力的临界值是F0 10N 当拉力F 6NF0时 A B之间一定发生了相对滑动 它们之间的摩擦力是滑动摩擦 力 摩擦力大小为 5N 注意 研究物理问题经常需要分析临界状态 物体处于临界状态时 可以认为它同时具 有这两种状态下的所有性质 因此可以同时列出两个方程 4 摩擦力方向 摩擦力方向和物体间相对运动 或相对运动趋势 的方向相反 摩擦力的方向和物体的运动方向可能成任意角度 摩擦力方向可能和物体运动方 向相同 如图 A在皮带作用下被加速 f作为动力 可能和物体运动方向相反 如 图 A在皮带上向左运动 f作为阻力 可能和物体速度方向垂直 如图 f作为 A做匀速圆周运动的向心力 可能跟物体运动方向之间成任意角度 如图 物体A沿 车后壁下滑 甲乙丙 F1F2 F3 F A B A Av1 v2 A 4 以上提到的无明显形变时的弹力和静摩擦力都是被动力 就是说 无明显形变时的 弹力和静摩擦力的大小和方向 都无法由公式直接计算得出 只能由物体的受力情况和 运动情况共同决定 例 8 如图所示 长木板的左端有固定转动轴 靠近木板右端处静止放有一个木块 现 将木板的右端缓慢提升 使木板从水平位置开始逆时针转动 当木板倾角 达到 25 时 木 块开始沿木板向下滑动 认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力 那么在 从 0 逐渐增大到40 的过程中 下列说法中正确的是 A 木块受的摩擦力逐渐减小 B 木块受的摩擦力先增大后减小 C 木块受的合外力不断增大 D 木块受的合外力始终为零 解 木块和斜面发生相对滑动前 受到的摩擦力是静摩擦力 由共点力平衡可得 其大 小为f mgsin 随倾角 增大而增大 木块和斜面发生相对滑动后 木块受到的摩擦力是 滑动摩擦力 其大小由f N求得 为f mgcos 随倾角 的增大而减小 在发生相对 滑动前 由于是 缓慢 转动 可认为木块处于平衡状态 所以合力为零 发生相对滑动后 木块做加速运动 合外力F合 mg sin cos 随 的增大而增大 所 以本题答案应选 B f 图象如右 临界角 0 arctan 由本题可得 物体恰好沿斜面匀速下滑的充要条件是 tan 例 9 如图所示 斜面B放在水平面上 木块A放在斜面上 用水平力 F推A时 A B都保持静止 若将推力F稍为减小一点 则关于A B间的摩擦力大小f1和 B 地间的摩擦力大小f2的变化情况的描述正确的是 A f1和f2一定都减小 B f1和f2可能都不变 C f1可能增大 f2一定减小 D f1一定减小 f2可能增大 解 以质点组为对象 始终处于静止状态 f2 F一定减小 而f1的变化要看原来平衡时 f1的方向 若原来f1沿斜面向上 则增大 若原来f1沿斜面向下 则减小 选C 五 力的合成与分解 1 矢量的合成与分解都遵从平行四边形定则 可简化成三角形定则 平行四边形定则实质上是一种等效替换的方法 一个矢量 合矢量 的作用效果和另外 几个矢量 分矢量 共同作用的效果相同 就可以用这一个矢量代替那几个矢量 也可以用 那几个矢量代替这一个矢量 而不改变原来的作用效果 三角形定则可以推广到多个力的合成 如下右图所示 只要将表示各个分力的有向线段 首尾相接成一折线 与先后顺序无关 那么从第一个有向线段的箭尾到最后一个有向线段的 箭头的有向线段就表示它们的合力F 由三角形定则还可以得到一个有用的推论 如果n个力首尾相接组成一个封闭多边形 则这n个力的合力为零 在分析问题时 考虑了合矢量就不能再考虑分矢量 考虑了分矢量就不能再考虑合矢量 矢量的合成分解 一定要认真作图 用平行四边形定则时 分矢量和合矢量要画成带箭 头的实线 平行四边形的另外两个边必须画成虚线 各个矢量的大小和方向一定要画得合理 f G 0 O G F A B F2 F1 F O 平行四边形定则 F2 F1 三角形定则 F O F1 F2 F3 F4 多边形定则 O F 5 在正交分解时 两个分矢量和合矢量的夹角一定要分清哪个是大锐角 哪个是小锐角 不可随意将两个锐角都画成 45 当题目规定为 45 时除外 2 应用举例 例 10 物块A的质量是m 放在质量为M 倾角为 30 的斜面B上 A B始终相对静止 共同沿水平面向右运动 当a1 0 时和a2 0 75g时 B对 A的作用力FB各多大 解 B对A的作用力FB是B对A的支持力和摩擦力的合力 而A受的重力 G mg和FB的合力是F ma 当a1 0 时 G与 FB二力平衡 所以FB大小为mg 方向竖直向上 当a2 0 75g时 用平行四边形定则作图如右 先画出重力 包括大小和方向 再画出A所受合力F的大小和方向 再根据平行四边形定则画出FB 由已知可得 FB 1 25mg 方向与竖直方向成 37o角斜向右上方 FB的方向与斜面倾角 的大小没 有必然联系 例 11 已知质量为m 电荷为q的小球 在匀强电场中由静止释放后沿直线OP 向斜下方运动 OP和竖直方向成 角 那么所加匀强电场的场强E的最小值是多 少 解 根据题意 释放后小球所受合力的方向必为OP方向 用三角形定则从右图 中不难看出 重力矢量的大小和方向是确定的 合力F的方向是确定的 为OP方向 电场力Eq的矢量起点必须在G 终点必须在OP射线上 在图中画出一系列可能 的电场力 不难看出 只有当电场力方向与OP方向垂直时 Eq才最小 E也最小 因此E的最小值是E0 q mg sin 这是比较典型的考察力的合成的题 有些同学只简单地背 垂直 而不注重分析 经 常误认为是电场力和重力垂直 而得出错误答案 越是简单的题越要认真作图 养成好的学 习习惯 例如解本题时只要作出一系列可能方向的电场力 就很容易得出正确结论 例 12 轻绳AB总长l 用轻滑轮悬挂重G的物体 绳能承受的最大拉力是2G 将A端固定 将B端缓慢向右移动d 为保证绳不断 求d的最大可能值 解 以跟滑轮接触的那段绳子和滑轮 重物整体为对象 该对象 在重力G和两侧绳子的拉力F1 F2共同作用下静止 同一根绳子上的 拉力大小F1 F2总是相等的 因此以F1 F2为邻边做出的平行四边形 一定是菱形 它们的合力跟重力平衡 方向竖直向上 利用菱形对角 线互相垂直平分的性质 由相似形可得 d l 4 所以d最大为 15l 4 15 例 13 如图所示 轻绳的一端固定在水平天花板上的A点 另一端固 定在竖直墙上的B点 图中OA OB l 轻绳长 2l 不计质量和摩擦的小动滑 轮下悬吊质量为m的物体 将该装置跨在轻绳上 求系统达到静止时绳所受 的拉力T是多大 解 设静止时滑轮位置在C点 延长AC与墙交于D 由于AC BC 两段绳上拉力大小相等 利用几何关系可知CD BC 因此 AD AC CB 2l 2AO 图中 30 由菱形解得 mgT 3 3 FB OA B G TT C D v aA B G O P E0q F1 F2 G N AB B m OA B 6 若把B点沿竖直墙缓慢向上或向下在OD间移动 由图知绳与竖直墙的夹角 不会改变 因此绳受的拉力大小也不会改变 六 物体的受力分析 解力学问题的一个基本技能就是受力分析 因此必须重视受力分析的方法和技巧 1 明确研究对象 受力分析前首先要明确研究对象 研究对象可以是某一个物体 也可以是保持相对静止 的若干个物体 灵活地选取研究对象可以使问题更简洁地得到解决 2 按顺序找力 必须先找场力 重力 电场力 磁场力 后找接触力 接触力中必须先找弹力 后找 摩擦力 只有在有弹力的接触面之间才可能有摩擦力 3 只按性质找力 画受力图时 只能按力的性质分类画力 不能既画性质力又画效果力 拉力 压力 向 心力等 否则将出现重复 4 需要用力的合成或分解时 必须正确画出相应的平行四边形 注意实线 虚线和箭 头这些细节 例 14 小球质量为m 电荷为 q 以初速度v向右滑入足够长的水平绝 缘杆 匀强磁场方向如图所示 球与杆间的动摩擦因数为 试描述小球在 杆上的运动情况 解 先分析小球的受力情况 再由受力情况确定其运动情况 小球刚滑入杆时 所受场力为 重力mg向下 洛伦兹力f0 qvB向上 而弹力N的大小 方向和摩擦力f的大小都取决于mg和qvB的大小关系 分三种情况讨论 v 如图 a 在摩擦力f作用下 v f0 N f都逐渐减小 qB mg 当v减小到等于时达到平衡 开始做匀速运动 v 如图 b qB mg qB mg 在摩擦力f作用下 v f0逐渐减小 而N f逐渐增大 故v将一直减小到零 v 如图 c f0 mg N f均为零 小球将始终保持匀速运动 qB mg 例 15 一航天探测器完成对月球的探测任务后 在离开月球的过程中 由静止开始沿着 与月球表面成一倾斜角的直线飞行 先加速运动 再匀速运动 探测器通过喷气而获得推动 力 以下关于喷气方向的描述中正确的是 A 探测器加速运动时 沿直线向后喷气 B 探测器加速运动时 竖直向下喷气 C 探测器匀速运动时 竖直向下喷气 D 探测器匀速运动时 不需要喷气 解 探测器沿直线加速运动时 所受合力F合方向与运动方向相同 而重力方向竖直向 下 由平行四边形定则知推力方向必须斜向上方 因此喷气方向斜向下方 匀速运动时 所 受合力为零 因此推力方向必须竖直向上 喷气方向竖直向下 选 C 七 共点力作用下物体的平衡 f 0N f0 N f f f0 mg mgmg a b c v v F合 F F G G 7 1 共点力 几个力作用于物体的同一点 或它们的作用线交于同一点 该点不一定在物体上 这 几个力叫共点力 2 共点力的平衡条件 在共点力作用下物体的平衡条件是合力为零 3 解题途径 当物体在两个共点力作用下平衡时 这两个力一定等大反向 当物体在三个不共线的共 点力作用下平衡时 往往采用平行四边形定则或三角形定则求解 当物体在四个或四个以上 不共线的共点力作用下平衡时 往往采用正交分解法求解 例 16 重G的光滑小球静止在固定斜面和竖直挡板之间 若挡板逆时针缓慢转到水平位 置 在该过程中 斜面和挡板对小球的弹力的大小F1 F2各如何变化 解 由于挡板是缓慢转动的 可以认为每个时刻小球都处于静止状态 因此所受合力为 零 应用三角形定则 G F1 F2三个矢量应组成封闭三角形 其中G的大小 方向始终保持不变 F1的方向不变 F2的起点在 G的终点处 而终点必须在F1所在的直线上 由作图可知 挡板 逆时针转动 90 过程 F2矢量也逆时针转动 90 因此F1逐渐变 小 F2先变小后变大 当F2 F1 即挡板与斜面垂直时 F2最 小 例 17 光滑半圆柱体中心轴线正上方有一个定滑轮 一只小球被一根细线系住 线跨过 定滑轮拉住小球保持静止 这时拉力大小为F 小球对圆柱体的压力大小为 N 若将细线再向右拉动一小段距离再次使小球静止 则F N的大小各如何 变化 解 对小球进行受力分析 作出相应的平行四边形可发现 两个画阴影 的相似三角形中 圆柱体的半径R和滑轮到底面的高度H是不变的 重力也 是不变的 N G R H F G L H L减小 因此F减小 N不变 例 18 如图所示 物体A靠在竖直墙面上 在竖直向上的推力F作用下 A B保持静止 物体A B的受力的个数分别为 A 4 3 B 3 3 C 3 4 D 5 4 解 先以B为对象 除受重力GB和推力F外 还受A对B的弹力 NAB和摩擦力fAB 且这两个力的合力FAB必然竖直向下 B受 4 个力 再 以A为对象 除重力GA外 B