2010高考物理二轮复习力与物体的平衡教案

高中物理辅导网 京翰教育中心 专题一专题一 力与物体的平衡力与物体的平衡 教案教案 一 一 专题要点专题要点 1 重力 产生 重力是由于地面上的物体受到地球的万有引力而产生的 但两者不等价 因为万有引力的一个分力要提供物体随地球自转所 需的向心力 而另一个分力即重力 如右图所示 大小 随地理位置的变化而变化 在两极 G F万 在赤道 G F万 F向 一般情况下 在地表附近 G mg 方向 竖直向下 并不指向地心 2 弹力 产生条件 接触 挤压 形变 大小 弹簧弹力 F kx 其它的弹力利用牛顿定律和平衡条件求解 方向 压力和支持力的方向垂直于接触面指向被压或被支持的物体 若接触面是球面 则 弹力的作用线一定过球心 绳的作用力一定沿绳 杆的作用力不一定沿杆 提醒 绳只能产生拉力 杆既可以产生拉力 也可以产生支持力 在分析竖直平面内的圆 周运动时应该注意两者的区别 3 摩擦力 产生条件 接触且挤压 接触面粗糙 有相对运动或者相对运动趋势 大小 滑动摩擦力 与接触面的面积无关 静摩擦力根据牛顿运动定律或平衡条件Nf 求解 方向 沿接触面的切线方向 并且与相对运动或相对运动趋势方向相反 4 电场力 电场力的方向 正电荷受电场力的方向与场强方向一致 负电荷受电场力的方向与场强方 向相反 电场力的大小 若为匀强电场 电场力则为恒力 若为非匀强电场 电场力将qEF 与位置有关 5 安培力 高中物理辅导网 京翰教育中心 方向 用左手定则判定 F 一定垂直于 I B 但 I B 不一定垂直 I B 有任一量反向 F 也反向 大小 BILF 安 此公式只适用于 B 和 I 互相垂直的情况 且 L 是导线的有效长度 当导线电流 I 与 B 平行时 0 min F 6 洛伦兹力 洛伦兹力的方向 洛伦兹力的方向既与电荷的运动方向垂直 又与磁场方向垂直 所以洛伦兹力方向总是垂 直于运动电荷的速度方向和磁场方向所确定的平面 洛伦兹力方向总垂直于电荷运动方向 当电荷运动方向改变时 洛伦兹力的方向也发生改 变 由于洛伦兹力的方向始终与电荷运动方向垂直 所以洛伦兹力对电荷永不做功 洛伦兹力的大小 sinBqVF 洛 当 此时电荷受到的洛伦兹力最大时 0 90 BqVF 洛 当 即电荷的运动方向与磁场方向平行时 不受洛伦兹力的作用 时或 00 1800 0 洛 F 当 说明磁场只对运动电荷产生力的作用 时0 v0 洛 F 7 力的合成与分解 由于力是矢量 因此可以用平行四边形定则进行合成与分解 常用正交分解法和力的合成法 来分析平衡问题 8 共点力的平衡 状态 静止或匀速运动 F合 0 高中物理辅导网 京翰教育中心 二 二 考纲要求考纲要求 考点要求考点解读 滑动摩擦 静摩擦 动 摩擦因数 形变 弹性 胡克定律 矢量和标量 力的合成与分解 共点力的平衡 物体在共点力的作用下的平衡是静力学的基础 考题主要 考察重力 弹力 摩擦力 电场力 磁场力作用下的共点 力的平衡问题 共点力的合成与分解 物体 或带电体 平衡条件的应用 常用的方法有整体法与隔离法 正交分 解法 解矢量三角形 相似三角形 题目一般是以一个选 择题的形式考查受力分析或者把受力分析 力的合成与分 解附在大题中出现 三 三 教法指引教法指引 此专题复习时 可以先让学生完成相应的习题 在精心批阅之后以题目带动知识点 进行适 当提炼讲解 根据我对学生的了解 发现很多同学的力学基础不是很好 尤其在重力场 电 场 磁场都出现之后受力变得复杂 有同学甚至不能区分 F电 F安 F洛 把几个力混为一谈 处理力的性质时难度更大 所以在讲解时层次应放的低一点 还是要以夯实基础为主 四 四 知识网络知识网络 高中物理辅导网 京翰教育中心 五 五 典例精析典例精析 题型 1 受力分析问题 如图所示 物体 A 靠在倾斜的墙面上 在与墙面和 B 垂直的力 F 作用下 A B 保持静止 试分析 A B 两个物体的受力个数 解析 B 的受力简单一点 先取 B 为研究对象 若只受 G 与 F 作用 B 物体不可能静止 因 此 A 对 B 有弹力与摩擦力 B 物体共受四个力作用 再取 A 为研究对象 受重力 B 对 A 的弹力 B 对 A 沿 A 向下的摩擦力 墙对 A 的弹力 墙 对 A 沿墙向上的摩擦力 A 物体共受五个力作用 此题也可以对 AB 整体分析推出墙对 A 对 有弹力和向上的摩擦力 与分析 B 类似 规律总结 1 在分析两个以上相互作用物体的受力分析时 要整体法和隔离法相互结合 2 确定摩擦力和弹力的方向时 通常根据物体所处的状态 采用 假设法 判断 3 当直接分析某一物体的受力不方面时 常通过转移研究对象 先分析与其相互作用的另一 物体的受力 然后根据扭动第三定律分析该物体的受力 上例中就是先分析了 B 的受力 又 分析 A 的受力 题型 2 重力 弹力和摩擦力作用下的物体平衡问题 如图所示我国国家大剧院外部呈椭球 型 假设国家大剧院的屋顶为半球形 一警卫人员为执行任务 必须冒险在半球形屋顶上向 上缓慢爬行 他在向上爬的过程中 A 屋顶对他的支持力变大 B 屋顶对他的支持力变小 C 屋顶对他的摩擦力变大 D 屋顶对他的摩擦力变小 解析 缓慢爬行可以看成任意位置都处于平衡状态 对图示位置进行受 力分析建立平衡方程 向上爬时减小 所以 f 减小 N 增大 cos sinmgNmgf AD 对 若警卫人员执完特殊任务后从屋顶 A 点开始加速下滑 则摩擦力 支持力又如何 高中物理辅导网 京翰教育中心 解析 这时 向下滑时增大 N 减小 f 减小 BD 对 cos mgNNf 规律总结 1 本题考查了力学中的三种力及力的分解 物体平衡条件的应用 2 审题时要注意 缓慢 的含义 受力分析时应该特别注意摩擦力的方向沿着接触面的切线 方向 3 要注意静摩擦力与滑动摩擦力的求解方法不同 当加速下滑时受到的是滑动摩擦力应该根 据公式求解 Nf 题型 3 连接体的平衡问题 如图所示 两光滑斜面的倾角分别为 30 和 45 质量分别为 2 m 和 m 的两个滑块用不可伸长的轻绳通过滑轮连接 不计滑轮的质量和摩擦 分别置于两个 斜面上并由静止释放 若交换两滑块位置 再由静止释放 则在上述两种情形中正确的有 A 质量为 2m 的滑块受到重力 绳的张力 沿斜面的下滑力和斜面的支持力的作用 B 质量为 m 的滑块均沿斜面向上运动 C 绳对质量为 m 滑块的拉力均大于该滑 块对绳的拉力 D 系统在运动中机械能均守恒 解析 A 选项中下滑力不是物体受到的一 个力 而是重力的分力 B 选项中原来 后来 两种情况下 m 均 00 45sin30sin2mgmg 00 45sin230sinmgmg 沿斜面上滑 C 选项中作用力与反作用力应该大小相等 D 选项中因为斜面光滑 只有重力做功机械能守恒 此题选 BD 题型 4 弹簧连接体问题 如图 在一粗糙的水平面上有三个质量分别为 m1 m2 m3的 木块 1 2 和 3 中间分别用一原长为 L 劲度系数为 k 的轻弹簧连接起来 木块与地面间的 动摩擦因数为 现用一水平力向右拉木块 3 当木块一起匀速运动时 1 和 3 两木块之间 的距离是 不计木块宽度 高中物理辅导网 京翰教育中心 k gm LA 2 k gmm LB 21 k gmm LC 2 2 21 k gmm LD 2 2 2 21 解析 1 和 3 之间的距离除了 2L 外还有两部分弹簧的伸长 对 1 对 1 和 2 即选项 C 正确 gmxk 11 gmmxk 212 规律总结 1 弹簧连接的物体平衡和运动是物理中常见的情景 静止时的平衡态即合力为零 时 物体在运动过程中 弹簧弹力的大小 方向是可变的 所以在平衡态时常有最大速度 例如简谐振动 出现 2 分析弹簧问题时 特别注意找到原长位置 平衡位置和极端位置 3 在计算题中 弹簧的平衡态以一个知识点出现 列出平衡方程即可以求解 题型 5 电场和重力场内的物体平衡问题 如图 倾角为 300的粗糙绝缘斜面固定在水平地 面上 整个装置处在垂直于斜面向上的匀强电场中 一质量为 m 电荷量为 q 的小滑块恰能 沿斜面匀速下滑 已知滑块与斜面之间的动摩擦因数为 求该匀强电场场强 E 的大小 43 解析 受力分析如图 0sin fmg 电 FmgN cos 电 EqFNf 得 q mg q mgmg E 6 3cossin 高中物理辅导网 京翰教育中心 规律总结 1 电场力的方向与带电体电性和场强方向有关 匀强电场中电场力为恒力 2 正交分解法在处理物体受多个力作用的平衡问题时非常方便 常列两个等式 0 0 Yx FF 题型 6 复合场内平衡问题 如图 坐标系 x Oy 位于竖直平面内 在该区域有场强 E 12N C 方向沿 x 轴正方向的匀强电场和磁感应 强度大小为 B 2T 沿水平方向的且垂直于 xOy 平 面指向纸里的匀强磁场 一个质量 m 4 10 5kg 电荷量 q 2 5 10 5C 带正电的微粒 在 xOy 平面 内做匀速直线运动 运动到原点 O 时 撤去磁场 经一段时间后 带电微粒运动到了 x 轴上的 P 点 g 10m s2 求 P 点到原点 O 的距离 带电微粒由原点 O 运动到 P 点的时间 解析 匀速直线运动时 受力平衡 电洛 2 2 2 FGF 洛电 BqvFEqFmgG 得 v 10m s 与 x 轴 370斜向右上 撤去磁场后受 2 个力结合速度方向可知做类平抛运动 沿 v 方向 vtOP 0 37cos 垂直 v 方向 电 2 2 2 0 2 1 37sint m GF OP 得 OP 15m t 1 2s 规律总结 1 由于洛伦兹力的方向始终与 B 和 V 垂直 因此带电粒子在复合场内做直线运动 时一定是匀速直线运动 即重力 电场力 洛伦兹力的合力为零 常作为综合性问题的隐含 条件 2 此题也可以对撤去磁场后的速度进行分解 可以分解成沿电场力方向上的匀加速直线运动 高中物理辅导网 京翰教育中心 和沿重力方向上的竖直上抛运动 题型 7 重力场 磁场内通电导线的平衡问题 如图 在倾角为的斜面上 放置一段通电 电流为 I 长度为 L 质量为 m 的导体棒 a 棒与斜面间的动摩擦因数为 欲 tan 使导体棒静止在斜面上 所加匀强磁场的磁感应强度的最小值是多少 如果导体棒 a 静止在 斜面上且对斜面无压力 则所加匀强磁场 的 磁 感 应 强 度大小和方向如何 解析 受力分析如图假设外力 F 与斜面成角 安 fFmg cossin 安 NFmg sincos Nf 安 BILF 得 由三角函数极值可知 sin cos cossin IL mgmg B 2 min 1 cossin IL mgmg B 无压力即此导线仅 G 和安培力 且平衡 得 mgBIL 方向水平向左 IL mg B 规律总结 通电导线所受的安培力与磁场方向 导体放置方向密切相关 而此三者方向不在 同一平面内 在平面视图中很难准确画出来 因此选择好的观察方位 画出正确的平面视图 能够形象 直观地表达出三者的关系非常重要 是有效地解题的关键 题型 8 电磁感应中的平衡问题 如图甲 两根足够长的 电阻不计的光滑平行金属导轨相 高中物理辅导网 京翰教育中心 距为 L1 1m 导轨平面与水平面成 上端连接阻值为的电阻 质量为 0 30 5 1R m 0 2kg 阻值金属棒 ab 放在两导轨上 距离导轨最上端为 L2 4m 棒与导轨垂直 5 0r 并保持良好接触 整个装置处于一匀强磁场中 该匀强磁场与导轨平面垂直 磁感应强度大 小随时间变化的情况如图所示乙所示 为保持 ab 棒静止 在棒上施加了一平行于导轨平面 且垂直于 ab 棒的外力 F 已知当 t 2s 时 F 恰好为零 g 10m s2 求 当 t 2s 时 磁感应强度的大小 当 t 3s 时 外力 F 的大小和方向 当 t 4s 时 突然撤去外力 F 当金属棒下滑速度达到稳定时 导体棒 ab 端的电压为多大 解析 当 t 2s 时 2 21 2B t LLB E 2 B rR E I 12 0 30sinILBmg 当 t 3s 时 B3 1 5T 安 NILBF5 1 13 沿斜面向下 安 NmgFF5 030sin 0 平衡时 得 得 13 0 30sinILBmg AI 3 2 VIRUab1 规律总结 1 通电导线 或导体棒 切割磁感线时的平衡问题 一般要综合应用受力分析 法拉第电磁感应定律 左 右手定则和电路的知识 在这类问题中 感应电流的产生和磁场 对电流的作用这两种现象总是相互联系的 而磁场力又将电和力这两方面问题联系起来 2 感应电流在磁场中受到的安培力对导线 或金属棒 的运动起阻碍作用 把机械能转化成 电能 题型 9 摩擦力问题 在粗糙的水平面上放一物体 A A 上再放一质量为 m 的物体 B AB 间的 动摩擦因数为 施加一水平力 F 与 A 计算下 列情况下 A 对 B 的摩擦力的大小 当 AB 一起做匀速运动时 当 AB 一起以加速度 a 向右做匀加速运动时 当力 F 足够大而使 AB 发生相对运动时 高中物理辅导网 京翰教育中心 解析 因 AB 向右做匀速运动 B 物体受到的合力为零 所以 B 物体受到的摩擦力为零 因 AB 无相对滑动 所以 B 物体受到的摩擦力为静摩擦力 此时不能用滑动摩擦力的公式 来计算 用牛顿第二定律对 B 物体有maFf 合 因为 AB 发生了相对滑动 所以 B 物体受到的摩擦力为滑动摩擦力 用滑动摩擦力的公式 来计算 mgNf 规律总结 摩擦力大小的计算方法 在计算摩擦力的大小之前 必须首先分析物体的运动 情况 判明是滑动摩擦力还是静摩擦力 若是前者用或牛顿运动定律 若是后者Nf 用平衡条件或牛顿第二定律求解 题型 10 力的合成与分解 如图所示 重物的质量为 m 轻绳 AO 和 BO 的 AB 端是固定的 平衡时 AO 是水平的 BO 与水平面的家教为 则 AO 的拉力 F1和 BO 的拉力 F2的大小是 A B cos 1 mgF cot 1 mgF C D sin 2 mgF sin 2 mgF 解析 方法一 正交分解法 将 O 点受到的力沿水平方向和竖直方向正交 分解 由力的平衡条件得 0cos 12 FF 0sin 2 mgF 解得 BD 选项正确 方法