力与物体的平衡.doc

高考网力与物体的平衡本专题体现了常见力的概念和求法，研究了力与物体的平衡状态之间的关系，是力学乃至电磁学的重要基础，熟练的掌握解决各种性质的力和物体的平衡问题方法，不仅构筑起了处理力学问题的基本框架，培养考生处理物理问题的基本技能，而且还能渗透科学思想与方法，为以后的分析问题找到到有效途径，所以各种性质的力和物体的平衡问题是历年高考的热点。基本知识和基本能力的考查，高考中每年必考，常以选择题、填空题和计算分析题的形式出现。其高考的热点知能信息主要体现在以下几点：1 重力的概念，弹力、摩擦力的方向判定及大小计算。2 力的合成与分解的灵活应用。3 受力分析和利用共点力的平衡条件解决实际问题的能力。4 带电粒体在电磁场中的平衡条件及棒在磁场中的平衡。5 整体法与隔离法在受力分析中的灵活应用。6 信息提炼，条件转换及过程关联。例题1 木块A、B分别重50 N和60 N，它们与水平地面之间的动摩擦因数均为0.25；夹在A、B之间的轻弹簧被压缩了2cm,弹簧的劲度系数为400N/m，系统置于水平地面上静止不动。现用F=1 N的水平拉力作用在木块B上.如图1-9所示.力F作用后（ ）A木块A所受摩擦力大小是12.5 NB木块A所受摩擦力大小是11.5 NC木块B所受摩擦力大小是9 ND木块B所受摩擦力大小是7 N 本题简介：本题考查了胡克定律，静摩擦，物体平衡条件。难度：较易 解析：未加F时，木块A在水平面内受弹簧的弹力F1及静摩擦力FA作用，且F1FAkx8N，木块B在水平面内受弹簧弹力F2和静摩擦力FB作用，且F2FBkx8N，在木块B上施加F1N向右拉力后，由于F2FGB，故木块B所受摩擦力仍为静摩擦力，其大小FF2F9N，木块A的受力情况不变。 答案：C反思：摩擦力是高考中的一个热点，同时也是学习中的一个难点。求解摩擦力时，首先要判断该处是滑动摩擦还是静摩擦，而静摩擦力的大小由物体所受外力和运动状态决定的。所以在解题时要特别注意的。例题2.（08江苏）一质量为M的探空气球在匀速下降，若气球所受浮力F始终保持不变，气球在运动过程中所受阻力仅与速率有关，重力加速度为g.现欲使该气球以同样速率匀速上升，则需从气球篮中减少的质量为A2(M) B. M C. 2MD.0解析：依题意可知，气球在下降过程中处于平衡状态，由平衡条件得： ，在气球上升过程中，速率与下降过程中相等，所以阻力仍为f，则平衡条件得：减少的质量：，由以上各式联合可得：答案：A反思：本题是匀速直线运动的变力作用下的平衡问题，从题中找出物理情景从一种向另一种转换时的联系，向另一个过程迁移，列平衡方程就能使问题得以突破。例题3如图1-10所示，A、B是带有等量的同种电荷的两小球，它们的质量都是m，它们的悬线长度是L，悬线上端都固定在同一点O，B球悬线竖直且被固定，A球在力的作用下，偏离B球的地方静止平衡，此时A受到绳的拉力为F，现在保持其他条件不变，用改变A球质量的方法，使A球在距B为处平衡，则A球受到的绳的拉力为原来的AT B2T C4T D8T 解析：以A球为研究对象，其受到重力G、B对A的库仑力F、绳的拉力T，如图1-11所示。因三力的方向不具有特殊的几何关系，若用正交分解法，很难有结果，此时就改变思路，变正交分解为力的合成，注意观察，不难发现图中悬线形成的结构三角形和力的矢量三角形相似，由共点力平衡条件得：以及，解得解得T=mg、，当A球质量变为m并使它在距B球处于平衡时，同理可得：T=mg 和，而由库仑定律容易得到A球前后所受库仑力之比为将F、F代入上式可得：m=8m，所以绳子拉力T=mg=8mg=8T 答案：D 反思：本题涉及重力、弹力、库仑力、库仑定律和共点力作用下物体的平衡条件。考查学生的理解、分析、推理和综合运用知识的能力。这是一道学科内综合的试题，充分体现了目前理科综合的命题特点。纵观近几年有关力的平衡的考题，将力的合成与分解、物体的平衡条件中后续的电场力、磁场力等综合在一起进行考查，已经成为一个新的命题热点。解决本题的关键是正确分析先后两种情况下小球的受力情况，再设法寻找力的矢量三角形和结构三角形的相似，利用相似三角形法求解。力与物体的平衡一、规律整合1胡克定律的应用弹簧的弹力的特点是不产生突变，利用这个特点可以求解在其它外力发生变化时物体的瞬时加速度。而与弹簧相连的物体的位移总是与弹簧的形变量的变化有关，这是解决这种问题的突破口。2摩擦力、滑动摩擦定律要计算一个物体受到摩擦力的大小必须首先判断出该物体与接触面之间的摩擦是属于静摩擦还是滑动摩擦。一般可先假设物体与接触面之间相对静止，由物体的状态，根据牛顿第二定律可求出为了使物体能相对静止所需的摩擦力的大小，如果该力小于等于最大静摩擦，则能相对静止，否则就相对滑动。静摩擦的计算可根据牛顿第二定律求解，滑动摩擦力的计算直接利用滑动摩擦定律。3共点力作用下物体平衡物体的平衡有两种情况：质点静止或做匀速直线运动。其条件是物体所受的合外力为零。当物体受三个力而处于平衡时，一般用力的合成：即将其中任意两个力合成，让三个力构成一个三角形；当物体受力的个数较多时，一般用正交分解法。4整体法与隔离法的应用若研究对象由多个物体组成，首先考虑运用整体法，这样受力情况比较简单。如果还要求系统内物体间的相互作用力，再用隔离法。所以整体法和隔离法常常交替使用。5动态平衡类问题的分析方法解析法和图解法是解动态平衡的问题常用的两种方法。运用图解法处理问题，显得直观、简捷。用相似三角形法是解平衡问题时常遇到的一种方法，解题的关键是正确的受力分析，寻找力三角形和结构三角形相似。二、高考预测从近几年高考试题发展趋势来看，09年高考中本专题可能会以下列题型出现:1选择题它可能把胡克定律、摩擦力的判断与计算、力的合成与分解、共点力作用(包括电场力、磁场力等)下物体的平衡条件的应用等知识有机整合成一道选择题。如06年北京卷第19题、06年江苏卷第9题、07年广东卷的第5题、07年江苏卷第6题、07年山东卷第10题、06上海卷的第12题、08年全国卷II第16题、08年海南卷第3题和第9题、08年江苏卷第3题、08年山东卷第16题、08年天津卷第19题、08年江苏卷第3题、08年广东理科基础卷第2题和第6题、08年上海卷第7题等。这种题一般分值4分左右，难度系数约0.7。2实验题本专题实验可以考查“探究力的等效和替代的平行四边形定则”、“探究弹簧的弹力与形变量之间的关系”、“探究影响摩擦力的大小的因素”等。如05年全国卷的第22题、05年江苏卷的第11题等。一般分值6-8分，难度系数约0.65。3计算题要计算题中可能会求物体在各种情况下的稳定速度。如06年重庆卷第24题、05年上海卷的第22题、05年天津卷的第23题。另外“弹簧模型”也是高考的一个热点，它可以把胡克定律与牛顿定律、动量能量相结合，考查学生综合应用的能力。如05年全国卷的第24题题、06年天津卷的第23题、08年宁夏卷第30题、08年重庆卷第23题等。这种题对学生的能力要求较高，一般难度系数约0.6。力与物体的平衡例1如图1-12所示，质量为m的工件置于水平放置的钢板C上，二者间的动摩擦因数为，由于光滑导槽A、B的控制，工件只能沿水平导槽运动，现在使钢板以速度v1向右运动，同时用力F拉动工件(F方向与导槽平行)使其以速度v2沿导槽运动，则F的大小为（ ）A.等于mg B.大于mg C.小于mg D.不能确定 解析：物体相对钢板具有向左的速度分量v1和侧向的速度分量v2，故相对钢板的合速度v的方向如图1-13所示，滑动摩擦力的方向与v的方向相反。根据平衡条件可得: Ffcosmg从上式可以看出：钢板的速度V1越大，拉力F越小。答案：C反思：滑动摩擦力的方向总是与相对运动方向相反。解决此类问题的关键是找出相对运动方向，从而判断出所受的滑动摩擦力的方向，方能正确求解。例2（08海南）如图所示，质量为M的楔形物块静置在水平地面上，其斜面的倾角为斜面上有一质量为m的小物块，小物块与斜面之间存在摩擦用恒力F沿斜面向上拉小物块，使之匀速上滑在小物块运动的过程中，楔形物块始终保持静止地面对楔形物块的支持力为( )A（Mm）g B（Mm）gF C（Mm）gFsin D（Mm）gFsin解析：对楔形物块与小物块这一系统受力分析，受到重力，支持力，拉力F，系统各物体均平衡，则整个系统也处于平衡状态。由对力F正交分解后，由平衡条件得：，则FN=（Mm）gFsin；支持力与压力是作用力与反作用力，所以答案为D。答案：D反思：整体法是将两个或者两个以上的物体作为一个整体进行分析的方法，而隔离法是将某个物体单独隔离出来进行分析的方法，整体法、隔离法是分析物体平衡问题的常用方法，通常两种方法结合使用。例3.如图1-16所示，在方向竖直向下的匀强磁场中，有两根竖直放置的平行金属导轨ABCD。导轨上放有质量为m的金属棒MN，棒与导轨间的动摩擦因数为。现从t=0时刻起，给棒通以图示方向的电流，且电流强度与时间成正比，即I=kt，其中k为恒量。若金属棒与导轨始终垂直，则在下图所示的表示棒所受的摩擦力随时间变化的四幅图中，正确的是（ ）解析：由左手定则，金属棒MN的安培力方向是垂直纸面向里，因此金属棒对竖直金属导轨ABCD的正压力在数值上等于金属棒MN的安培力F，设匀强磁场的磁感应强度为B、棒MN长为L，则有：N=F=BIL=kBLt开始阶段滑动摩擦力较小，即fG，物体将做减速运动，当速度减小到零时，物体由运动状态转变为静止状态，所以物体受到的滑动摩擦力也“突变”为静摩擦力，由平衡条件可得此时该以后的静摩擦力大小为f=G。 答案：C反思：本题涉及重力、弹力、摩擦力、安培力和左手定则等知识点，重点是对摩擦力的分析。考查理解、分析、推理和综合的能力，以及图像的分析和应用图像表达物理过程和规律的能力。解决本题的关键是先正确理解静摩擦力和滑动摩擦力的特点，特别是静摩擦力的大小会随着运动趋势的强弱而在0Fm(最大静摩擦力)之间变化，与物体的正压力无直接关系，一般可利用平衡条件或牛顿运动定律来求其大小，再结合题述过程判断出是哪一类摩擦力，运用相应的方法求解，这里尤其要注意摩擦由“动”到“静”的瞬间“突变”问题。 例4如图1-17所示，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？解析：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1-18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F2F1，即挡板与斜面垂直时，F2最小）反思：这类平衡问题是一个物体受到三个力（或可等效为三个力）而平衡，这三个力的特点：其中一个力的大小和方向是确定的，另一个力方向始终不改变，第三个力的大小和方向都可改变。运用图解法处理问题，显得直观、简捷，思路明了，有助于提高思维能力，简化解题过程。 例5（2007年江苏）如图19所示，带电量分别为4q和q的小球A、B固定在水平放置的光滑绝缘细杆上，相距为d，若杆上套一带电小环C，带电体A、B和C均可视为点电荷。 （1）求小环C的平衡位置； （2）若小环C带电量为q，将小环拉离平衡位置一小位移x（|x|d）后静止释放，试判断小环C能否回到平衡位置。（回答“能”或“不能”即可） （3）若小环C带电量为q，将小环拉离平衡位置一小位移x（|x|d）后静止释放，试证明小环C将作简揩运动。 （提示：当a1时，则）解析：（1）设C在AB连线的延长线上距离B为l处达到平衡，带电量为Q 库仑定律 和平衡条件得 解得 所以，C的平衡位置在B右侧l = d处。 （2）.若小环C带电量为q，将小环拉离平衡位置一小位移x（|x|d）后静止释放，由于q受的电场力背离平衡位置，所以q将由静止开始背离平衡位置做加速运动，不可能回到平衡位置。 （3）环C带电q，平衡位置不变，将环C向右拉离平衡位置一小位移x，选取向右为矢量的正方向 C受的回复力为 利用近似关系化简得，所以小环C将做简谐运动。答案：（1）C的平衡位置在B右侧l = d处 （2）不能回到平衡位置 （3），小环C将做简谐运动。反思：本题是平衡问题与简谐运动相联系的试题，是在原来熟悉的平衡模型的基础上添加条件进行拓展改编辑成的，在复习时要注重加强一题拓展的训练。例题6.科学探究活动通常包括以下环节：提出问题，作出假设，制订计划设计实验，进行实验收集证据，分析论证，评估交流等。一位同学学习了滑动摩擦力后，怀疑滑动摩擦力可能与接触面积有关,于是他准备用实验探究这个问题。(1)这位同学认为：滑动摩擦力的大小与接触面积成正比，这属于科学探究活动中的_环节。(2)为完成本实验，需要自己制作木块，他应制作的木块是下列选项中的_A各面粗糙程度相同的正方体木块B各面粗糙程度不相同的正方体木块C各面粗糙程度相同，长宽高各不相等的长方体木块D各面粗糙程度不相同,长宽高各不相等的长方体木块(3)为了测量木块与木板之间的滑动摩擦力，他设计了两种方案，如图1-20甲和乙所示，甲是将长木板固定在水平面上，用弹簧测力计水平拉动木板上的木块；乙是用弹簧测力计水平拉住木块，他水平拉动木块下的木板，你认为更利于操作的方案是_。理由是_。解析：要探究摩擦力的大小与接触面积大小是否有关，