高一物理共点力的平衡及应用

4.3共点力的平衡及其应用,1平衡状态：物体处于和，我们说物体处于平衡状态2在共点力作用下处于平衡状态的物体所受的合外力，即：.3三力平衡的条件：任意两个力的合力与第三个力大小，方向，作用在上4多力平衡条件：物体受到几个共点力的作用而平衡时，其中的任意一个力必定与余下的其他力的合力5解共点力平衡问题的基本思路(1)对研究对象进行受力分析，作出受力图(2)物体在三个力作用下处于平衡状态时，常用的解题方法有：力的分解法、力的合成法(3)共面的非平行的三个力平衡时：其中任意两个力的合力必与第三个力等值反向，且三个力的作用线必交于一点(4)物体在三个或三个以上力作用下处于平衡状态时，通常应用正交分解法,静止,匀速直线运动,F合0,为零,相等,相反,一条直线,平衡,一、共点力作用下物体的平衡要点梳理物体的平衡状态一个物体在共点力作用下，如果保持静止或匀速直线运动状态，则这个物体就处于平衡状态如光滑水平面上匀速直线滑动的物块；沿斜面匀速直线下滑的木箱；天花板上悬挂的吊灯等，这些物体都处于平衡状态物体处于平衡状态时分为两类：一类是共点力作用下物体的平衡；另一类是有固定转动轴物体的平衡在这一节我们只研究共点力作用下物体的平衡共点力作用下物体的平衡又分为两种情形，即静平衡(物体静止)和动平衡(物体做匀速直线运动),疑点辨析对静止的理解：静止与速度v0不是一回事物体保持静止状态，说明v0，a0，两者必须同时成立若仅是v0，a0，如上抛到最高点的物体，此时物体并不能保持静止，上抛到最高点的物体并非处于平衡状态所以平衡状态是指加速度为零的状态，而不是速度为零的状态,二、共点力作用下的平衡条件要点梳理共点力作用下物体处于平衡状态的力学特点是所受合外力F合0.例如，图甲中，放在水平地面上的物体保持静止，则此物体所受的重力和支持力是一对平衡力，其合力为零,甲乙又如图乙中，若物体沿斜面匀速下滑，则f与N的合力必与重力G等大、反向，故仍有F合0.,重点解读(1)若物体在两个力同时作用下处于平衡状态，则这两个力大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上，其合力为零，这就是初中学过的二力平衡(2)若物体在三个非平行力同时作用下处于平衡状态，则这三个力必定共面共点(三力汇交原理)，合力为零，称为三个共点力的平衡，其中任意两个力的合力必定与第三个力大小相等，方向相反，作用在同一条直线上(3)物体在n个非平行力同时作用下处于平衡状态时，n个力必定共点，合力为零，称为n个共点力的平衡，其中任意(n1)个力的合力必定与第n个力等值反向，作用在同一直线上由牛顿第二定律知道，作用于物体上力的平衡是物体处于平衡状态的原因，物体处于平衡状态是力的平衡的结果,三、共点力平衡条件的应用重点解读现实生活中，物体在力的作用下处于平衡的情况随处可见，站着的人在重力和地面支持力的作用下，处于静止的平衡状态，这叫做静态平衡；跳伞运动员在降落过程中，当其匀速降落时，他所受的重力与降落伞的拉力及空气阻力相平衡，这叫做动态平衡有时，物体就整体而言并不处于平衡状态，但它可以在某一方向上处于平衡状态如在海面上加速行驶的快艇，在水平方向上做变速运动，可是它在竖直方向上只受重力和浮力这一对平衡力作用，因此它在竖直方向上处于平衡状态(1)在共点力作用下物体处于平衡状态，则物体所受合力为零，因此物体在任一方向上的合力都为零(2)如果物体只是在某一方向上处于平衡状态，则物体在该方向上合力为零，因此可以在该方向上应用平衡条件列方程求解,平衡状态的判断,下列物体处于平衡状态的是()A静止在粗糙斜面上的物体B物体在光滑斜面上由静止释放后沿斜面自由下滑C在平直公路上匀速行驶的汽车D做自由落体运动的物体在刚开始下落时,【解析】在共点力作用下处于平衡状态的物体，必然同时具备两个特点：从运动状态来说，物体保持静止或匀速运动，加速度为零；从受力情况来说，合力为零显然，静止在粗糙斜面上的物体和匀速行驶的汽车都处于平衡状态，而沿光滑斜面由静止加速下滑的物体，加速度不等于零，不处于平衡状态，做自由落体运动的物体在刚开始下落时，尽管速度v0.但加速度ag0，合力FG0，故也不处于平衡状态【答案】AC【方法总结】判断物体是否处于平衡状态的方法：(1)根据物体的运动状态(看运动状态是静止，还是匀速运动)(2)根据物体的受力情况(看合力是否为零),下列说法正确的是()A竖直上抛物体达最高点时，物体处于平衡状态B电梯匀速上升时，电梯中的人处于平衡状态C竖直弹簧上端固定，下端挂一个重物，平衡后用力F将它在拉下一段距离后突然撤去力F，重物仍处于平衡状态D只有加速度为零的物体才处于平衡状态【解析】因为重物上升到最高点时速度为零，加速度是g，所以物体不处于平衡状态，A是错误的；电梯中的人和电梯一起匀速运动，所受合外力为零，所以B是正确的；弹簧上挂的重物在力F撤去后，产生向上的加速度，故C是错误的；物体处于平衡状态的本质特征是加速度为零，故D是正确的【答案】BD,静态平衡的求解,沿光滑的墙壁用网兜把一个足球挂在A点(右图所示)，足球的质量为m，网兜的质量不计，足球与墙壁的接触点为B，悬绳与墙壁的夹角为，求悬绳对球的拉力和墙壁对球的支持力【解析】取足球作为研究对象，它共受到三个力作用，重力Gmg，方向竖直向下；墙壁的支持力N，方向水平向右；悬绳的拉力T，方向沿绳的方向这三个力一定是共点力，重力的作用点在球心O点，支持力N沿球的半径方向G和N的作用线必交于球心O点，则T的作用线必过O点既然是三力平衡，可以根据任意两力的合力与第三力等大、反向求解，可以根据力三角形求解，也可用正交分解法求解,解法一：用合成法取足球作为研究对象，它们受重力G=mg、墙壁的支持力N和悬绳的拉力T三个共点力作用而平衡，由共点力平衡的条件可知，N和T的合力F与G大小相等、方向相反，即F=G，从图中力的平行四边形可求得：N=Ftan=mgtanT=F/cos=mg/cos.,解法二：用分解法取足球为研究对象，其受重力G、墙壁支持力N、悬绳的拉力T，如右图所示，将重力G分解为F1和F2，由共点力平衡条件可知，N与F1的合力必为零，T与F2的合力也必为零，所以NF1mgtanTF2mg/cos.,解法三：用相似三角形求解取足球作为研究对象，其受重力G，墙壁的支持力N，悬绳的拉力T，如右图所示，设球心为O，由共点力的平衡条件可知，N和G的合力F与T大小相等，方向相反，由图可知，三角形OFG与三角形AOB相似，所以,解法四：用正交分解法求解取足球作为研究对象，受三个力作用，重力G，墙壁的支持力N，悬绳拉力T，如右图所示，取水平方向为x轴，竖直方向为y轴，将T分别沿x轴和y轴方向进行分解由平衡条件可知，在x轴和y轴方向上的合力Fx合和Fy合应分别等于零即Fx合=N-Tsin=0Fy合TcosG0由式解得：TG/cosmg/cos，代入得NTsinmgtan.,【答案】mg/cosmgtan,【方法总结】应用共点力的平衡条件解题的一般步骤：(1)确定研究对象：即在弄清题意的基础上，明确以哪一个物体(或结点)作为解题的研究对象(2)分析研究对象的受力情况：全面分析研究对象的受力情况，找出作用在研究对象上的所有外力，并作出受力分析图，如果物体与别的接触物体间有相对运动(或相对运动趋势)时，在图上标出相对运动的方向，以判断摩擦力的方向(3)判断研究对象是否处于平衡状态(4)应用共点力的平衡条件，选择适当的方法，列平衡方程(5)求解方程，并根据情况，对结果加以说明或必要的讨论,2-1,质量为m的木块，被水平力F紧压在倾角=60的固定木板上，如右图所示，木板对木块的作用力为(),【解析】木块受到木板的作用力为摩擦力与弹力的合力，其大小应与F与mg两力的合力平衡，为，D正确,【答案】D,动态平衡问题的分析,如右图所示挡板AB和竖直墙之间夹有小球，球的质量为m，则挡板与竖直墙壁之间的夹角缓慢增加至=90时，AB板及墙对球压力如何变化？,【解析】解法一：解析法(1)利用力的合成由于挡板缓慢放下，故小球总处于平衡状态，其受力如右图所示，由平衡条件知，N2与N1的合力大小等于G，将N1与N2合成，由图知：N1=mgcot，N2mg/sin，当增大时cot减小，sin增大，故N1减小，N2也减小，当90时，N10，N2mg.,解法二：极限法小球受力如上图所示，N1和N2均不为零，当挡板放在水平位置，即90时，N10，故知N1在挡板缓慢放下时应减小由解法一知初始时N2大于mg，当挡板平放时，小球平衡，N2mg，故在整个过程中N2一直减小最后等于0，N1一直减小最后等于mg.,解法三：图解法取球为研究对象，受到重力G，垂直于墙的弹力N1和垂直于挡板的弹力N2的作用，当挡板与竖直墙壁之间的夹角缓慢增加时物体可以看做处于一系列的动态平衡状态该过程中墙对球的弹力的方向不变，挡板对球的弹力方向随挡板与墙的夹角的增大而不断变化，当90时，N2方向变为竖直向上，但在整个变化过程中，由平衡条件知，两个弹力的合力N大小方向都不变，与向下的重力等大反向据此可知作出几组平行四边形，反映出N1、N2的变化情况，如上图所示当逐渐增大时，N2与竖直方向的夹角逐渐减小，N2N2N2；当90时，N2NGmg，所以N2逐渐减小，N1逐渐减小,【答案】见解析【方法总结】动态平衡问题的分析方法：(1)解析法：对研究对象的任一状态进行受力分析，建立平衡方程，求出应变参量与自变参量的一般函数式，然后根据自变量的变化确定应变参量的变化(2)图解法：对研究对象进行受力分析，再根据平行四边形定则或三角形定则画出不同状态下的力的矢量图(画在同一个图中)，然后根据有向线段(表示力)的长度变化判断各个力的变化情况图解法适用条件：质点在三个力作用下处于平衡状态，其中一个力恒定，一个力的方向不变，第三个力的大小和方向都变化的情况具体做法是：合成两个变力，其合力与恒力等值反向,如右图所示，电灯悬挂于两墙壁之间，更换水平绳OA使连接点A向上移动而保持O点的位置和OB绳的位置不变，则在A点向上移动的过程中()A绳OB的拉力逐渐增大B绳OB的拉力逐渐减小C绳OA的拉力先增大后减小D绳OA的拉力先减小后增大,2-1,【解析】这是一个动态平衡问题，在点A向上移动的过程中，结点O始终处于平衡状态取结点O为研究对象，受力情况如右图所示，图中T1、T2、T3分别是绳OA、绳OB、电线对结点O的拉力，T3是T1与T2的合力，且T3=T3.在A点向上移动的过程中，T3的大小和方向都保持不变，T2的方向保持不变由图解法可知，当绳OA垂直于OB时，绳OA中的拉力最小，所以，绳OA的拉力先减小后增大，绳OB的拉力逐渐减小,【答案】BD,如右图所示，用轻绳把两个质量未知的小球悬挂起来，今对小球a持续施加一个向左偏下30的恒力，并对b持续施加一个向右偏上30的同样大小的恒力，最后达到平衡，则表示平衡状态的图是下图中的(),【指点迷津】学过几种不同的解题方法之后，在解题时，不要机械地套用某种解法，而是要认真审读题目，明确物理条件，灵活求解，解题时一定要养成作图的好习惯此题考查应用物体平衡条件处理连接体的平衡问题，可以运用整体法把a、b两球以及a、b球之间的连线视为一个整体进行研究，也可以分别单独以a、b球为研究对象，分析其受力并求解因为用整体法解题可以无须考虑系统内物体之间的相互作用力，使解题更为简便，故解题中可以首先考虑运用整体法求解选取a、b两球及它们之间的轻绳为研究对象，其受力情况是：重力(m1m2)g、外力F1和F2以及a球上方悬绳的拉力T，由于F1、F2等值反向，互相平衡，悬线的拉力T必与两球的重力(m1m2)g等值反向，即a球上方的悬线必在竖直方向上故A选项正确【答案】A,平衡状态下的临界值和极值问题的求解方法某种物理现象变化为另一种物理现象的转折状态叫做临界状态物体平衡的临界状态是指物体所处的平衡状态将要破坏而尚未被破坏的状态解答物体平衡的临界问题时可用假设法运用假设法的基本步骤是：明确研究对象；画受力示意图；假设可发生的临界现象；列出满足所发生的临界现象的平衡方程求解,如图所示，在A点有一物体(未画出)，其质量为2kg，两根轻绳AB和AC的一端系在竖直墙上，另一端系在物体上，在物体上另施加一个方向与水平线成60角的拉力F，若要使绳都能伸直，求拉力F的大小范围(g取10m/s2),【解析】作出物体A的受力示意图如图所示，由平衡条件Fy=Fsin+T1sin-mg=0FxFcosT2T1cos0,1如图所示运动图象表明物体不处于平衡状态的是(),【答案】B,2在机场和海港，常用输送带运送旅客和行李、货物，如下图所示，(a)为水平输送带，(b)为倾斜输送带，当行李箱随输送带一起匀速运动时，下列几种判断中正确的是()A(a)、(b)两种情形中的行李箱都受到两个力作用B(a)、(b)两种情形中的行李箱都受到三个力作用C情形(a)中的行李箱受到两个力作用，情形(b)中的行李箱受到三个力作用D情形(a)中的行李箱受到三个力作用，情形(b)中的行李箱受到四个力作用【答案】C,3.一个重为20N的物体置于光滑的水平面上，当用一个F5N的力竖直向上拉该物体时，如右图所示，物体受到的合力为()A15NB25NC20ND0N【解析】由于物体的重力大于拉力，所以没有拉动物体，物体处于静止状态，所受合力为零【答案】D,4.如右图所示，一木块放在水平桌面上，在水平方向共受三个力即F1、F2和摩擦力的作用，木块处于静止状态，其中F1=10N、F2=2N若撤去F1，则木块在水平方向受到的摩擦力为()A2N，方向向右B6N，方向向右C2N，方向向左D零【解析】未撤去F1前，木块静止，说明木块所受的静摩擦力f静F1F28N，方向向左，即最大静摩擦力fm8N当撤去F1后，木块在F2作用下有向左运动的趋势，地面给木块的静摩擦力方向变为向右，大小与F2相等，即f静F22N恰好在静摩擦力的范围之内(0Ffm)，木块处于静止状态故正确选项为A.【答案】A,5如下图所示，长为5m的细绳的两端分别系于竖立在地面上相距为4m的两杆的顶端A、B，绳上挂一个光滑的轻质挂钩，其下连着一重为12N的物体，平衡时，绳中的张力为多少？,【解析】设重物平衡时悬点为O，延长AO交B杆于C点，从C点向A杆作垂线CD交A杆于D点，如图所示，因为CD4m，AOB是一条绳，AO段与BO段的张力必然相等，与竖直线的夹角也相等，因而OBOC，故AC5m，设A，则取O点为研究对象，将重物对O点的拉力沿AO、BO延长线分解，由几何关系及平衡条件得：【答案】10N,；xstxt懂豪等人立即围了过来,聚在庞天鼎旁边,闻到了壹股浓烈香味,令人神清气爽.根汉用天眼查看了壹下这些药块,沉声道：还是有些细节没做好,这只是半成品,真正丹药是壹粒壹粒,不是这种壹块壹块.不过好在证明咱们炼制方法是正确,再努力几次,说不定就可以炼制出解毒成丹来.根汉说.二阶妇人却兴奋说：就是这个味道,之前何老鬼给咱们吃解药,就有壹种与这个类似味道,只不过他丹药还有壹股刺鼻味道,而这个药没有!不错!五阶妇人也说,叶兄弟你炼丹方法确实有效.懂豪听完也兴奋拉上了这两姐妹手：嘿嘿,这回看来咱们是距离成功越来越近了.应该是.二美脸上闪过壹抹羞色,让懂豪看完之后,心头大动.若不是现在关键时候,他真想带着这两位姐姐老婆,找个地方来壹场旷世大战.想想他就兴奋呀,两姐妹如此美丽,而且修为还远胜自己,如果同时收了她们,将会有无与伦比成就感.看来这丹方是对了.根汉哪能不知道这小子龌龊心思,没好气甩了他壹眼,然后说：这些半成品也收起来吧,如果到时时间不够,暂时也能拿来压压毒.好.懂豪赶紧将这药块给收了起来,如宝贝似藏进了自己乾坤世界,这壹眼也让九美看在眼里,让她们大为感动.根汉却是不免对这家伙刮目相看,当年这家伙把妞本领实在是垃圾,只知道用钱,或者是用权势压别人,现在倒知道还打感情牌了.收那些半成品药块,有必要动作那么慢,还那么壹副小心翼翼模样吗?看来他是学会了壹些,自己招术呀.半成品已经有些类似何老鬼给药了,何老鬼给她们解药,自然就只能是暂时,根本就解不了全毒,起码证明现在根汉丹方是正确.三足黑蛛,这是壹种传说中魔界诅咒之蛛,被这种毒蛛缠上,九死壹生.根汉等人继续开始做实验,为了最终成功而努力.姑素祖地后山,有壹处万丈悬崖,悬崖上有壹条不是路路.悬崖边上,被布置了壹座圣级法阵,修行者是无法在这上面飞行,而想要进入姑素祖地后山,就只能从这里爬上去.这壹天夜晚,月黑风高,姑素祖地后山,传来了壹阵鬼哭狼嚎惨叫声,仿佛有阴魂厉鬼正在这里出没似,十分骇人.而就在这面悬崖上,此时却有一些女子,正在徒手攀爬在上面.悬崖十分徒俏,而且上面极度湿滑,悬崖外侧是深不见底峡谷,旁边便是壹片缭绕云海,纵然她们是不世强者,此时也看不到底部只能是徒手攀爬.该死,这条路怎么变成这样子了,以前这里有壹条人工挖出来石路.姑素雪也正在上面爬,时隔百年,她没想到这条路变成这样子了.姑素纤纤也说：这条路本就是如此,可能是这些年没有人走,这条路便变成这样子了.咱们干吗不飞上去呀,非得这样子爬,多累呀.众美相隔并不远,壹个接壹个,基本上是前面人爬了壹步,后面人便跟上壹步.她们大部分都是准圣强者,还有米晴雪是圣人,像现在这样徒手攀爬悬崖事情,确实是几乎没怎么做过.因为壹旦达到了先天境之后,基本上都可以驭空飞行了,何况她们现在这个境界呢.米晴雪在队伍最后面,而顶在最前面是姑素纤纤,姑素雪则在队伍中间,和万丈悬崖相比,众美连成曲线,不过是苍海壹粟罢了.米晴雪在最后面喊道：这条路很古怪,咱们不能乱动元灵之力,不到万不得已时候不能用,万壹有问题到时还有小强顶着.小姨,为什么不直接让小强带咱们上去呢?这爬得爬到什么时候,起码还有三千丈!米晴雪头顶米钰莹抱怨道.米晴雪道：臭丫头,不是说了这里很古怪嘛,要不你以为只会有咱们发现这条路?肯定还会有别人也会从这里进入,但是现在只有咱们一些人在这里,肯定是非同寻常了.如果让小强直接载咱们上去,未免目标太大了,难免会出意外.米晴雪道,大家不是好久都没爬了嘛,正好大家锻炼锻炼躯体,也算是壹件好事了.呼呼,这算什么好事呀,真是.米钰莹小声嘀咕了壹句.大小姐她,啥时候,还爬过这样悬崖呀,这简直就是遭罪,有元灵之力不用.众美没有再说废话了,不过为了缓解大家压力,众人还是不时保持着交流,壹个帮壹个,慢慢向上爬,三千丈路途对她们这些躯体绝强女修来说,也不是什么无法做到事情.（正文贰0叁1爬悬崖）贰0叁贰冥界女使六个时辰之后,经过漫长攀爬,众美终于是来到了上面路口.这是壹条口子不到三米宽矮通道,众美顺利来到了通道口,检查着前方情况.这里倒是没怎么办?以前这里便是壹条五十里长左右山道,出了这山道,便是那条你们说阴阳路了,也不知道现在是阴还是阳.姑素纤纤和姑素雪都发现这里没什么变化.姬爱说：按现在天相来看,可能是阴路,咱们要不要等天明了再出发?无妨,即使是阴路,咱们也趟过去,总要经历壹些可怕事情.米晴雪却坚持要走,要不然咱们永远只是根汉背后女人,总有壹天,咱们也要站在他面前,为他挡道法!恩.众美听到米晴雪鼓励,竟也个个热血沸腾,包括米钰莹也有壹些冲动,都是受米晴雪圣威影响.收拾了壹下心情,众美立即出发,五十里山道算不得太远,不过她们还是小心翼翼往前行,大概半个时辰之后,她们来到了山道出口.吼吼吼.嘶嘶.别带咱走.求求你,咱不想走.壹本读ybdu啪!快走!不然抽死你!叔叔别打咱,咱不想走!妈妈,咱要妈妈!刚到山道口,众美便听到了壹阵哭天抢地惨叫声,还有鞭子抽打声,喝骂声.远处是壹片山谷,山谷中到处是乌烟障气,障气之中,似乎有壹条幽黑大道,此时正有两个打扮怪异人,如同幽灵壹般壹闪壹闪.其中壹人壹身黑衣,另壹人则是壹身白衣,黑衣人拿着锁链,锁着后面壹排人,