第二章　第8课时　受力分析　共点力的平衡-2027版高考物理一轮复习

第8课时受力分析共点力的平衡目标要求1.熟练掌握受力分析的步骤，会灵活应用整体法、隔离法并结合牛顿第三定律进行受力分析。2.理解共点力平衡的条件，会解决共点力平衡问题。3.知道“活结”和“死结”“动杆”和“定杆”的区别。考点一受力分析受力分析的一般步骤例1两相同的楔形木块A、B叠放后分别以图甲、乙两种方式在水平外力F1和竖直外力F2作用下，挨着竖直墙面保持静止状态，则在此两种方式中，木块B受力个数之比为()A.1∶1 B.4∶3 C.5∶3 D.5∶4答案C解析题图甲中，根据整体法可知，木块B除了受重力外，一定受到墙面水平向右的弹力和竖直向上的静摩擦力，隔离B分析，其一定还受到A的弹力，隔离A分析，A受到重力、水平向左的推力、B对其垂直于接触面斜向右下的弹力，这样的三个力不可能使A平衡，所以A一定还要受到B对其沿接触面斜向右上的静摩擦力才能平衡，可知B一定受到A沿接触面斜向左下的静摩擦力，故B共受5个力的作用；题图乙中，根据整体法可知B与墙面间既无弹力也无摩擦力，所以B受重力和A的弹力及摩擦力共3个力的作用。则在此两种方式中，木块B受力个数之比为5∶3，故选C。1.当分析相互作用的两个或两个以上物体整体的受力情况及分析外力对系统的作用时，宜用整体法。2.在分析系统内各物体(或一个物体各部分)间的相互作用时，宜用隔离法。3.整体法和隔离法不是独立的，对一些较复杂问题，通常需要多次选取研究对象，交替使用整体法和隔离法。考点二共点力的平衡1.共点力的平衡(1)平衡状态：物体静止或做匀速直线运动。(2)平衡条件：F合=0或Fx=0，Fy=0。(3)常用推论①若物体受n个作用力而处于平衡状态，则其中任意一个力与其余(n-1)个力的合力大小相等、方向相反。②若三个共点力的合力为零，则表示这三个力的有向线段首尾相接组成一个封闭三角形。“静止的物体速度为0处于平衡状态，竖直上抛的物体到达最高点时速度为0，也处于平衡状态”，这种说法对吗？答案不对，物体处于静止或做匀速直线运动是平衡状态，某一时刻速度为0不是物体处于平衡状态的判断依据。2.求解共点力平衡问题的常用方法(1)合成法：一个力与其余所有力的合力等大反向，常用于非共线三力平衡。(2)正交分解法：Fx合=0，Fy合=0，常用于多力平衡。(3)矢量三角形法：把表示三个力的有向线段构成一个闭合的三角形，常用于非特殊角的一般三角形。例2(2023·浙江6月选考·6)如图所示，水平面上固定两排平行的半圆柱体，重为G的光滑圆柱体静置其上，a、b为相切点，∠aOb=90°，半径Ob与重力的夹角为37°。已知sin37°=0.6，cos37°=0.8，则圆柱体受到的支持力Fa、Fb大小为()A.Fa=0.6G，Fb=0.4GB.Fa=0.4G，Fb=0.6GC.Fa=0.8G，Fb=0.6GD.Fa=0.6G，Fb=0.8G答案D解析对光滑圆柱体受力分析如图，由题意有Fa=Gsin37°=0.6G，Fb=Gcos37°=0.8G，故选D。例3(2024·河北卷·5)如图，弹簧测力计下端挂有一质量为0.20kg的光滑均匀球体，球体静止于带有固定挡板的斜面上，斜面倾角为30°，挡板与斜面夹角为60°。若弹簧测力计位于竖直方向，读数为1.0N，g取10m/s2，挡板对球体支持力的大小为()A.33NC.233答案A解析对小球受力分析如图所示由几何关系可得力F与力FN与竖直方向的夹角均为30°，因此将力F和FN正交分解可得FNsin30°=Fsin30°，FNcos30°+Fcos30°+FT=mg解得F=FN=33N，故选A例4(2026·江苏盐城七校市联盟检测)如图所示，有一倾角θ=37°，质量为M=2.9kg，足够长的斜面体B放置在水平面上。现在给质量为m=1.1kg的物体A一个沿斜面向下的初速度，同时给A施加一个水平向右的力F，使A刚好能匀速下滑，B保持静止，已知A与B间的动摩擦因数、B与地面间的动摩擦因数均为0.5，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度g取10m/s2，sin37°=0.6，cos37°=0.8。求：(1)水平推力F的大小；(2)改变推力F的大小，当F=5N时，求B受到地面的摩擦力。答案(1)2N(2)2.36N，方向水平向左解析(1)对A受力分析，如图由平衡条件可得Fcos37°+Ff=mgsin37°，FN=mgcos37°+Fsin37°其中Ff=μFN代入数据解得F=2N(2)物体A有沿斜面向下的初速度，若F=5N，此时A对B的弹力与摩擦力大小分别为FN'=mgcos37°+Fsin37°=11.8N，Ff'=μFN'=5.9NB与地面的最大静摩擦力为Ffm=μ(Mg+FN'cos37°+Ff'sin37°)=20.99N假设B仍保持停止，对B分析，水平方向有Ff地=FN'sin37°-Ff'cos37°=2.36N<Ffm，假设成立故B与地面的摩擦力为2.36N，方向水平向左。处理平衡问题的三个技巧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。非特殊角时，可考虑用矢量三角形法。2.物体受四个或四个以上的力作用时，一般要采用正交分解法。3.正交分解法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。例5(2025·江苏苏州市期中)灯笼有着美好的象征寓意。如图所示，质量分别为m1和m2的甲、乙两个灯笼用两根轻绳串接悬挂于O点，在稳定的水平风力作用下发生倾斜，悬挂于O点的轻绳与竖直方向的夹角为θ，两灯笼大小相同且所受风力相同，重力加速度为g。求：(1)悬挂于O点的轻绳拉力FT1的大小及灯笼所受风力F的大小；(2)甲、乙两灯笼间的轻绳拉力FT2的大小。答案(1)(m1+m2)gcosθ12(2)(解析(1)把两个灯笼作为整体分析，受到重力(m1+m2)g、风力2F和轻绳拉力FT1而处于平衡状态，如图由平衡条件可知竖直方向FT1cosθ=(m1+m2)g水平方向FT1sinθ=2F联立解得FT1=(mF=12(m1+m2)gtan(2)对乙灯笼受力分析可知，其受到重力m2g、风力F和两灯笼间轻绳拉力FT2而处于平衡状态，有FT22=(m联立解得FT2=(m拓展若有6个相同的质量均为m的小球用等长轻绳连接后，一端悬挂在天花板上，另一端系在竖直墙上如图所示。其中球1上方细绳与竖直方向夹角为θ=30°，球6右方的细绳水平，重力加速度大小为g。求：(1)球4与球5间绳子的张力大小；(2)球2与球3间绳子的张力大小。答案(1)4mg(2)27mg解析(1)以6个小球组成的整体为研究对象，受力分析如图甲所示，可得F01=6mgcos30°=4F水平=6mgtan30°=23mg以球5、球6组成的整体为研究对象，受力分析如图乙所示，可得F45=F水平2(2)以球3、4、5、6组成的整体为研究对象，受力分析如图丙所示，可得F23=F水平2+(4mg应用整体法和隔离法处理平衡问题的基本思路例6如图所示为市场上销售的某款晾衣篮，上方篮子通过四条等长的轻质细线对称悬挂，下方篮子通过四条等长的轻质细线竖直悬挂处于静止状态。下列说法正确的是()A.上方四条悬挂细线中的拉力相同B.上方细线越长，细线中的拉力越大C.上方细线中的拉力大小可能等于下方细线中的拉力大小D.上方细线中的拉力大小一定大于下方细线中的拉力大小答案D解析根据对称性，上方四条悬挂细线中的拉力大小相等，方向不同，故A错误；设上方、下方篮子和衣物的总质量分别为m1、m2，上方、下方每条细线的拉力大小分别为F1、F2，上方细线与竖直方向的夹角为θ，根据平衡条件有4F1cosθ=(m1+m2)g，4F2=m2g整理解得F1=m上方细线越长，θ越小，cosθ越大，F1越小，再由F1=m1g+4F24cosθ>m1则F1>F2，故B、C错误，D正确。解决对称结构非共面力的平衡问题1.注意结构对称特点，找出某一关键角。2.只需分解对称力中的某一个力，然后在某一方向(比如竖直方向)列平衡方程。考点三“活结”和“死结”“动杆”和“定杆”1.“活结”和“死结”问题分类模型结构(举例)模型解读模型特点“活结”模型“活结”一般由绳跨过光滑滑轮或绳上挂一光滑挂钩而形成，绳子因“活结”而弯曲，但实际为同一根绳“活结”两侧的绳子上的张力大小处处相等“死结”模型“死结”把绳子分为两段，且不可沿绳子移动，“死结”两侧的绳因结而变成两根独立的绳“死结”两侧的绳子上张力大小不一定相等2.“动杆”和“定杆”问题分类模型结构(举例)模型解读模型特点“动杆”模型轻杆用光滑的转轴或铰链连接，轻杆可围绕转轴或铰链自由转动当杆处于平衡时，杆所受的弹力方向一定沿杆向内或向外“定杆”模型轻杆被固定在接触面上，不发生转动杆所受的弹力方向不一定沿杆，可沿任意方向例7(2024·江苏连云港市模拟)甲图中，轻杆AB一端与墙上的光滑的铰链连接，另一端用轻绳系住，绳、杆之间夹角为30°，在B点下方悬挂质量为m的重物。乙图中，轻杆CD一端插入墙内，另一端装有光滑小滑轮，现用轻绳绕过滑轮挂住质量为m的重物，绳、杆之间夹角也为30°。甲、乙中杆都垂直于竖直墙，则下列说法中正确的是()A.甲、乙两图中杆中弹力之比为1∶3B.甲图中杆的弹力更大C.两根杆中弹力方向均沿杆方向D.若甲、乙中轻绳能承受最大拉力相同，则重物质量增大时(甲、乙中重物质量始终相等)，乙中轻绳先断裂答案B解析题图甲中的杆有铰链相连，可以自由转动，弹力方向沿杆方向，题图乙中的杆一端插在墙里，不能自由转动，弹力方向不一定沿杆方向，而是沿两根绳合力的反方向，故C错误；题图甲中，以B点为研究对象，受力分析如图(a)，根据平衡条件可得FN=mgtan30°=3题图乙中，以D点为研究对象，受力分析如图(b)，受到重物的拉力、上边绳的拉力和CD杆的弹力，由于拉力FT'和重力的夹角为120°且大小均为mg，则由几何知识可得FN'=FT'=mg即轻杆中的弹力大小为mg，则甲、乙两图中杆中弹力之比为3∶1，故A错误，B正确；题图甲中轻绳的拉力大小为FT=mgsin30°=2题图乙中轻绳的拉力大小FT'=mg若甲、乙中轻绳能承受最大拉力相同，则重物质量增大时，甲中轻绳先断裂，故D错误。例8(2025·江苏苏州市期中)如图所示，轻质不可伸长的晾衣绳两端分别固定在竖直杆M、N上的a、b两点，悬挂衣服的衣架挂钩是光滑的，挂于绳上处于静止状态。如果只人为改变一个条件，当衣架静止时，下列说法正确的是()A.将绳的右端上移到b'，绳子拉力大小变大B.将杆N向右移一些，绳子拉力变大C.绳的两端高度差越小，绳子拉力越小D.若换挂质量更大的衣服，则衣架悬挂点右移答案B解析设衣架挂于绳上O点，衣架与衣服质量之和为m，绳aOb长为L，M、N的水平距离为d，bO延长线交M于a'，由几何关系知a'O=aO，sinθ=dL，由平衡条件有2Fcosθ=mg，则F=mg2cosθ。当绳右端从b上移到b'时，d、L不变，θ不变，故F不变，选项A、C错误；将杆N向右移一些，L不变，d变大，θ变大，cosθ变小，则F变大，选项B正确；只改变衣服的质量，则m变化，其他条件不变，则sinθ不变，θ课时精练[分值：48分][1~5题，每题4分]1.(2025·陕晋青宁卷·4)如图，质量为m的均匀钢管，一端支在粗糙水平地面上，另一端被竖直绳悬挂，处于静止状态，钢管与水平地面之间的动摩擦因数为μ、夹角为θ，重力加速度大小为g。则地面对钢管左端的摩擦力大小为()A.μmgcosθ B.12C.μmg D.0答案D解析对钢管受力分析，如图所示。若钢管受到地面的摩擦力，则钢管水平方向受力不平衡，钢管不可能处于静止状态，故地面对钢管左端的摩擦力大小为零，故A、B、C错误，D正确。2.(2025·江苏常州市二模)某景区内有两块景观石a与b叠放在一起保持静止，如图所示。a、b之间的接触面可近似看作斜面MN，则石块b对石块a作用力的方向()A.竖直向上 B.沿斜面向上C.沿斜面向下 D.垂直斜面向上答案A解析因石块处于平衡状态，石块b对石块a的作用力与a的重力相平衡，其方向竖直向上。故选A。3.(2025·北京卷·6)如图所示，长方体物块A、B叠放在斜面上，B受到一个沿斜面方向的拉力F，两物块保持静止，B受力的个数为()A.4 B.5 C.6 D.7答案C解析根据题意，对A受力分析可知，受重力、B的支持力，由于A静止，则A还受B沿斜面向上的静摩擦力，对B受力分析如图，受重力、斜面的支持力、A的压力、拉力F、A对B沿斜面向下的摩擦力，由于B静止，则受沿斜面向上的摩擦力，即B受6个力作用。故选C。4.(2025·重庆卷·1)现代生产生活中常用无人机运送物品，如图所示，无人机携带质量为m的匀质钢管在无风的空中悬停，轻绳M端和N端系住钢管，轻绳中点O通过缆绳与无人机连接。MO、NO与竖直方向的夹角均为60°，钢管水平。则MO的弹力大小为(重力加速度为g)()A.2mg B.mg C.32mg D.1答案B解析以钢管为研究对象，设轻绳的拉力大小为FT，根据对称性可知两边绳子拉力大小相等，根据平衡条件有2FTcos60°=mg，可得FT=mg，故选B。5.(2026·江苏南通市检测)如图所示，一斜面固定在水平面上，粗糙的上表面ABCD为矩形。欲使一物体沿对角线AC做匀速直线运动，则所施加的外力可能是()A.沿AC方向的F1B.与AB方向平行的F2C.与DA方向平行的F3D.沿CA方向的F4答案B解析沿斜面方向上物体受沿斜面向下的重力的分力，沿CA斜向上的摩擦力，以及外力F，则要使这三力平衡，外力F可能是与AB方向平行的F2。故选B。6.(8分)(2026·江苏扬州市检测)如图所示，质量M=23kg的木块A套在水平杆上，并用轻绳将木块与质量m=3kg的小球B相连。现用与水平方向成α=30°角的力F=103N拉着球带动木块一起向右匀速运动，运动中A、B相对位置保持不变，g取10m/s2。求：(1)(4分)运动过程中轻绳与水平方向夹角θ；(2)(4分)木块与水平杆间的动摩擦因数μ。答案(1)30°(2)3解析(1)对B进行分析，根据平衡条件有Fcosα=FTcosθ，Fsinα+FTsinθ=mg解得FT=103N，θ=30°(2)对A进行分析，根据平衡条件有Ff=FTcosθ，FN=Mg+FTsinθ其中滑动摩擦力Ff=μFN解得μ=3[7~11题，每题4分]7.(2022·海南卷·8)我国的石桥世界闻名，如图，某桥由六块形状完全相同的石块组成，其中石块1、6固定，2、5质量相同为m，3、4质量相同为m'，不计石块间的摩擦，则m∶m'为()A.32 B.3 C.1答案D解析六块形状完全相同的石块围成半圆对应的圆心角为180°，每块石块对应的圆心角为30°，对第3块石块受力分析如图甲结合力的合成可知tan60°=F对第2块和第3块石块整体受力分析如图乙tan30°=F4(m+m'8.如图(a)、(b)、(c)所示为三种形式的吊车的示意图，OA为杆，AB为缆绳，杆和缆绳重力不计，当它们吊起相同重物时，杆OA受力分别为Fa、Fb、Fc，下列关系正确的是()A.Fa>Fb>Fc B.Fa>Fc=FbC.Fa=Fb>Fc D.Fa=Fb=Fc答案C解析分别对三种形式的结点进行受力分析，各图中FT=mg。在图(a)中，Fa=2FTcos30°=3mg，在图(b)中，Fb=FTtan60°=3mg，在图(c)中，Fc=FTcos30°=32mg，故选C9.磁悬浮地球仪具有独特的视觉效果，其工作原理简化如图：水平底座上的三个完全一样的磁极对地球仪内的磁体产生作用力(沿磁极与磁体的连线)，使地球仪悬浮在空中，此时各磁极和磁体恰好处在正四面体的四个顶点处。地球仪的总质量为m，重力加速度为g，则一个磁极对磁体的作用力大小为()A.13mg B.66mg C.33答案B解析设正四面体的棱长为L，地球仪中的磁