
滑雪運動包含很多科學(xué)知識,學(xué)好關(guān)于運動的科學(xué),不僅能夠使你深入認識體育運動,還能深入了解自然。
跳臺滑雪運動員由高處急速滑下,在即將到達賽道底部時,他的速度已達到100km/h。這時,他雙膝彎曲,使勁一蹬,順勢躍向空中。然后,為了減小空氣阻力的影響,他上身前傾,雙臂后擺,整個身體就像飛機一樣,向前滑翔。最終,滑雪板穩(wěn)穩(wěn)地落在地面上。
第八章 運動和力
第2節(jié) 二力平衡
依據(jù)生活經(jīng)驗認識平衡力和平衡狀態(tài)的概念,會判斷物體受到的力是否為平衡力。
經(jīng)歷探究二力平衡條件的實驗過程,歸納、總結(jié)出結(jié)論。
會利用二力平衡的知識分析解決實際問題。
①牛頓第一定律: 一切物體在沒有受到力的作用時,總保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。
② 由牛頓第一定律可知:當物體不受力時,總保持原來的運動狀態(tài)不變,原來靜止的物體始終靜止;如果原先運動,就始終以原來的速度做勻速直線運動。
靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)
①在我們周圍的一些物體在力的作用下總是保持靜止。
能不能反過來說,凡是保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的物體都沒有受到外力呢?
②生活中的一些物體在力的作用下可能做勻速直線運動。
在受力的情況下,物體有時也會保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。這是為什么?
杯子受到的力有:重力G與桌面支持力F。
分析常見物體的受力情況
電燈受到的力有:重力G與拉力F。
1. 常見物體的受力分析
③空中勻速飛行的飛機在水平方向上受的力有:
飛機在水平方向上受的力有:發(fā)動機的牽引力F、空氣的阻力 f。
④水平面上做勻速直線運動的小汽車
在水平方向上:牽引力F、空氣與地面的阻力f
在豎直方向上:汽車的重力G、地面的支持力N
①平衡力與平衡狀態(tài)物體受到幾個力作用時,如果保持靜止或勻速直線運動狀態(tài),我們就說這幾個力相互平衡,這幾個力就叫做平衡力。這個物體所處的狀態(tài)就叫做平衡狀態(tài)。
2. 平衡力和平衡狀態(tài)
②平衡狀態(tài)的兩種情況: 靜止狀態(tài);勻速直線運動狀態(tài)。
③二力平衡: 物體只受兩個力時的平衡狀態(tài)叫二力平衡。
視頻觀看——《力的平衡狀態(tài)》
【例題1】不計空氣阻力,下列物體處于平衡狀態(tài)的是( )
A.在空中自由下落的石塊
B.在圓形跑道上勻速跑步的運動員
C.豎直向上拋出的籃球
D.沿筆直斜坡勻速上行的汽車
A.在空中自由下落的石塊,下落速度越來越快,運動狀態(tài)改變;
B.在圓形跑道上勻速跑步的運動員,運動方向改變,運動狀態(tài)改變;
C.豎直向上拋出的籃球,上升速度改變,
D.沿筆直斜坡勻速上行的汽車,勻速直線運動,運動狀態(tài)不變。
下面通過實驗探究二力平衡的條件。
物體受兩個力時可以處于平衡狀態(tài),例如人站在地面上受兩個力的作用:重力與支持力。當人處于平衡狀態(tài)時,這二力之間有怎樣的關(guān)系呢?
①兩個力的大小可能要相等?
②兩個力的方向可能要相反?
③兩個力可能要在同一直線上?
④兩個力可能要作用在同一物體上?
2. 實驗裝置如圖所示。3. 明確研究對象——小車。對小車進行受力分析,小車水平方向所受的拉力大小與托盤中砝碼質(zhì)量的多少有關(guān)。換句話說,拉力的大小可以通過質(zhì)量的多少來改變。
1. 實驗器材:小桌、小車、托盤、砝碼。
②把兩個托盤放在小車的同側(cè),加入相等的砝碼,放手后觀察小車運動狀態(tài)的變化。
①通過兩邊分別加質(zhì)量不同的砝碼和質(zhì)量相同的砝碼,放手后觀察兩次小車運動狀態(tài)的變化。
③在兩托盤中加相等的砝碼,使小車靜止,用手旋轉(zhuǎn)小車至某一角度,使兩個力不作用在同一直線上,放手后觀察小車運動狀態(tài)的變化。④用兩個相同的小車分別系住一個托盤,用手按住,保證二力大小相等,方向相反,作用在同一直線上,放手后觀察小車運動狀態(tài)的變化。
①探究二力平衡與兩力的大小關(guān)系
控制二力作用在同一小車上、方向相反、沿同一條直線,兩邊分別加質(zhì)量不同的砝碼和質(zhì)量相同的砝碼,放手后觀察兩次小車運動狀態(tài)的變化
②探究二力平衡與兩力方向之間的關(guān)系
用手按住小車不動,把兩個托盤放在小車的同側(cè),加入相等的砝碼,放手后觀察小車運動狀態(tài)的變化。
在兩托盤中加相等的砝碼,使小車靜止,用手旋轉(zhuǎn)小車至某一角度,使兩個力不作用在同一直線上,放手后觀察小車運動狀態(tài)的變化(圖丙)。
③探究二力平衡與兩力是否沿同一直線的關(guān)系
④探究兩力平衡與兩力是否作用在同一物體上之間的關(guān)系
用兩個相同的小車分別系住一個托盤,用手按住,保證二力大小相等,方向相反,作用在同一直線上,放手后觀察小車運動狀態(tài)的變化。
1. 操作①中,法碼質(zhì)量不同時,小車兩邊受到的拉力大小不同、方向相反、在一條直線上,小車由靜止變?yōu)檫\動;砝碼質(zhì)量相同時,小車不動,其運動狀態(tài)沒有改變。2. 操作②中,靜止的小車雖然受到兩個大小相等的力的作用,但是由于方向相同,小車不是保持靜止狀態(tài),而是由靜止變?yōu)檫\動。3. 操作③中,小車發(fā)生轉(zhuǎn)動,運動狀態(tài)發(fā)生改變。4. 操作④中,放手后兩個小車的運動狀態(tài)都發(fā)生了改變,由靜止變?yōu)檫\動。
二力平衡的條件:作用在同一物體上的兩個力,如果大小相等、方向相反,并且作用在同一直線上,這兩個力就彼此平衡。
1. 本實驗中選用了小車而不選用木塊,是為了減小摩擦給實驗帶來的誤差。2. 本實驗設(shè)計的優(yōu)點是:可以不考慮物體的重力對實驗的影響。3. 實驗中,桌面必須水平,否則小車的重力會影響實驗。4. 實驗中,如果兩側(cè)的砝碼個數(shù)不相等但小車仍然處于靜止狀態(tài),則原因是小車受到桌面的靜摩擦力比較大.
方案二、用小卡片探究二力平衡的條件
1. 該方案以小卡片為研究對象,鉤碼通過定滑輪對卡片施加力的作用。2. 當兩線端所掛鉤碼質(zhì)量相等時,小卡片靜止;當兩線端所掛鉤碼質(zhì)量不等時,小卡片運動;把小卡片轉(zhuǎn)過一個角度,再松手時,小卡片轉(zhuǎn)動;用剪刀把小卡片從中間剪開,再松手時,小卡片運動。
3. 本方案選用硬紙片的原因是減小摩擦對實驗的影響,但是還受重力,因此對實驗結(jié)論也有影響。4. 定滑輪的作用是改變力的方向。
視頻觀看——《探究二力平衡的條件》
視頻演示——《探究二力平衡的條件(方案二)》
【例題2】如圖甲所示是小明同學(xué)設(shè)計組裝的“探究二力平衡的條件”實驗裝置。(1)實驗中,小明將系于小車兩端的線分別跨過桌面左右兩端的滑輪,在線兩端的小盤上放上砝碼,通過調(diào)整___________來改變F1和F2的大??;
(2)實驗中,保持F1和F2大小相等,用手將小車扭轉(zhuǎn)一個角度,松手后,小車將______(選填“轉(zhuǎn)動”或“保持靜止”),設(shè)計這一步驟是為了探究兩個力是否______________;(3)小華同學(xué)設(shè)計組裝了如圖乙所示的實驗裝置,比較甲、乙兩種實驗裝置,______的實驗裝置更合理,原因是該設(shè)計減小了__________對實驗的影響。
(3)甲實驗中小車受到的是滾動摩擦力,乙實驗中小車受到的是滑動摩擦力,而滾動摩擦力小于滑動摩擦力,甲實驗裝置更加的合理,可以減小摩擦力對實驗的影響。
因為物體靜止,所以物體所受的重力G與地面對它的支持力F是一對平衡力,則此二力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。 物體重力等于拉力: G=F
①分析靜止在水平面上的物體的受力情況
物體在兩個力的作用下處于平衡狀態(tài),已知一個力的大小和方向,我們可以根據(jù)二力平衡條件求另一個力的大小和方向。
三、二力平衡條件的應(yīng)用
1. 根據(jù)物體的平衡狀態(tài)分析物體的受力情況
1. 分析物體的受力
因為物體靜止,所以物體所受的重力G與彈簧測力計對它的拉力F是一對平衡力,則此二力大小相等、方向相反、作用在同一條直線上。 物體重力等于拉力: G=F
②用彈簧測力計測量物體所受重力的原理
用彈簧測力計測量物體所受的重力G,利用的是二力平衡條件。
③有一盞懸掛著的電燈,質(zhì)量為0.5千克,求電燈受到的各個力的大小及方向。
①電燈受到的力有:重力G、拉力F,因電燈靜止,所以這兩個力是一對平衡力,大小相等、方向相反。②重力大?。篏=mg=0.5千克×9.8牛/千克=4.9牛,方向豎直向下。③拉力大?。篎=G=4.9牛,方向豎直向上。
以在水平路面上運動的小車為例進行分析:
水平路面上運動的小車受到的力有:在豎直方向上有重力G、地面支持力N;在水平方向上有汽車發(fā)動機的牽引力F和地面與空氣的阻力f。
2. 根據(jù)物體的受力情況判斷運動狀態(tài)
2. 分析物體的運動
①若牽引力等于阻力,則二力平衡,小車向左做勻速直線運動
③若牽引力小于阻力,二力不平衡,小車向左做減速直線運動
②若牽引力大于阻力,二力不平衡,小車向左做加速直線運動
保持靜止或勻速直線運動
運動的速度或方向發(fā)生改變
3. 運動和力的關(guān)系
木塊受到的力:重力G與地面對木塊的支持力N
木塊對地面有一個壓力F、地面對木塊有一個支持力N
分析地面上木塊的受力情況,想一想哪些是平衡力?哪些力是相互的力?
【例題3】靜止放在水平桌面上的臺燈,受到的平衡力是( ) A.臺燈的重力和桌面對臺燈的支持力 B.臺燈對桌面的壓力和桌面對臺燈的支持力 C.臺燈對桌面的壓力和桌子受到的重力 D.臺燈的重力和臺燈對桌面的壓力
研究對象是臺燈。臺燈在豎直方向受到的力有:重力、桌面的支持力。因為臺燈是靜止的,所以這兩個力是一對平衡力。
①平衡力: 物體受到幾個力作用時,如果保持靜止或勻速直線運動 狀態(tài),我們就說這幾個力相互平衡,這幾個力就叫做平衡力。 這個物體所處的狀態(tài)就叫做平衡狀態(tài)。
②平衡狀態(tài):靜止狀態(tài)、勻速直線運動狀態(tài)
③二力平衡條件: 作用在同一物體上的兩個力,如果大小相等、方向相反, 并且在同一條直線上,這兩個力就彼此平衡。
根據(jù)平衡狀態(tài)分析物體的受力情況
根據(jù)受力情況分析物體的運動情況
作用在兩個物體上
平衡的兩個力,作用在同一物體上,而相互的作用力作用在兩個物體上。
平衡力與相互作用力的區(qū)別
1. 在圖中,F(xiàn)1和F2是物體所受的方向相反的兩個力,哪些情況下,這兩個力是平衡的?
BCD圖中的兩個力是平衡的。根據(jù)二力的平衡條件:二力作用在同一物體上,大小相等、方向相反,并且在同一條直線上。所以BCD符合題意。
2. 在平直的地面上,一個人沿水平方向用20牛的力推一輛小車勻速向西運動,試畫出小車所受阻力的大小和方向。
人沿水平方向用力推一輛小車勻速向西運動,小車所受阻力與推力是一對平衡力,所以小車所受阻力的大小為20牛,方向水平向東。
3. 質(zhì)量為40kg的小船靜止在水面上,它除了受到重力之外,還受到另外一個力的作用,這個力的大小等于多少?方向如何?試著畫出小船受力的示意圖?
小船所受重力大?。篏=mg=40kg×10N/kg=400牛,方向豎直向下;小船受到的另一個力的大小也為400N,方向豎直向上。
4. 在水平公路上勻速行駛的太陽能汽車受到幾對平衡力的作用?為什么說它們是互相平衡的?請在圖上畫出汽車受力的示意圖。
在水平公路上勻速行駛的太陽能汽車,受到兩對平衡力的作用。 在水平方向上,汽車受到的牽引力F牽和阻力F阻是一對平衡力; 在豎直方向上,汽車所受的重力G和支持力F支是一對平衡力。因為這兩對力中的每一對力都是大小相等、方向相反的,作用在同一條直線上,且都作用在汽車上,因此他們相互平衡。
1. 根據(jù)物體的受力情況,下圖中的哪個物體能保持靜止狀態(tài)?
C圖物體能保持靜止。因為二力大小相等、方向相反、沿同一直線,且作用在同一物體上,所以二力能平衡。
2. 小華用繩子提著一條魚靜止不動,此時魚受到的平衡力是 和 這一對力。如果魚的重力為5牛,則拉力為_____牛,拉力的方向是_________。
魚受到的力有:重力、繩子的拉力。 因為魚靜止不動,所以這兩個力是一對平衡力,則大小相等、方向相反、沿同一直線,且作用在同一物體上。
3. 2022年3月28日在亞洲杯女足決賽中,中國姑娘在落后兩球的情況下,頑強拼搏,最終實現(xiàn)了史詩般的逆轉(zhuǎn),贏得冠軍。如圖所示是中國隊員“頭球攻門”的情景,當運動員用頭頂球時球的運動方向改變了,說明力能改變物體的 __________(選填“形狀”或“運動狀態(tài)”)。在草坪上滾動的足球,受到的力______平衡力(選填“是”或“不是”)。
用頭頂球時球的運動方向改變了,即足球的運動狀態(tài)發(fā)生了改變,說明力能改變物體的運動狀態(tài)。
在草坪上滾動的足球,會慢慢停下來,足球的運動狀態(tài)發(fā)生了變化,足球受到的力不是平衡力。
4. 圖示為小張測量體重時的情景,靜止時體重計對他的支持力為F1,他對體重計的壓力為F2,他受到的重力為G,則( ?。. F2與G是一對平衡力B. F1與F2是一對平衡力C. F1與F2 一對相互作用力D. F1與G是一對相互作用力
A.他對體重計的壓力為F2 ,他受到的重力為G,方向都是向下的,故并不是平衡力,故A不符合題意;BC.靜止時體重計對他的支持力為F1 ,他對體重計的壓力為F2 ,是兩個物體間的作用力,互為施力物體,互為受力物體,兩個力的大小相等,方向相反,故是一對相互作用力,故B不符合題意;C符合題意;D.靜止時體重計對他的支持力為F1 ,他受到的重力為G,是同一個物體受到的兩個力,兩個力的大小相等,方向相反,故是一對平衡力,故D不符合題意。故選C。
5. 2022年2月6日,不服輸、敢拼搏、懂團結(jié)的中國女足第9次捧起亞洲杯冠軍獎杯(如圖)。在比賽過程中( )。A. 靜止在水平草地上的足球只受重力 B. 將足球踢飛說明力可以改變物體的形狀 C. 在空中運動到最高點的足球受力不平衡 D. 草地上滾動的足球因不受力而逐漸停下
A.靜止在水平草地上的足球受到豎直向下的重力和豎直向上的支持力,這兩個力是一對平衡力,故A不符合題意;B.腳對足球用力,足球被踢飛,力改變了足球的運動狀態(tài),故B不符合題意;C.在空中運動到最高點的足球有水平方向的速度,不是處于靜止或勻速運動狀態(tài),所受的力不是平衡力,故C符合題意;D.草地上滾動的足球逐漸停下,是因為受到阻力的作用,阻力改變了足球的運動狀態(tài),故D不符合題意。故選C。
6. 在2022北京冬奧會短道速滑男子1000米比賽中,中國選手任子威獲得金牌。圖甲是他正全力通過彎道、圖乙是他獲勝后站立在水平賽場中央大聲歡呼的情形,下列說法正確的是( )A. 通過彎道過程中他處于平衡狀態(tài)B. 站立時他受到的重力和他對冰面的壓力是一對相互作用力C. 站立時他受到的重力和他對冰面的壓力是一對平衡力D. 圖甲中他的手對冰面的壓力與冰面對他的手的支持力是一對相互作用力
A.通過彎道過程中,他的運動狀態(tài)發(fā)生改變,他不處于平衡狀態(tài),故A錯誤;B.站立時,他受到的重力和他對冰面的壓力兩個力的方向相同,故不是相互作用力,故B錯誤;C.站立時他受到的重力和他對冰面的壓力這兩個力的方向相同,故不是平衡力,故C錯誤;D.圖甲中他的手對冰面的壓力與冰面對他的手的支持力,這兩個力大小相等,方向相反,施力物體和受力物體互為彼此,同時產(chǎn)生,同時消失,故是一對相互作用力,故D正確。
7. 起重機的鋼絲繩下吊一個重為2000牛的貨物,在下列情況下,鋼絲繩的拉力分別是多少?(1)當貨物靜止時:__________(2)貨物以1米/秒勻速上升:_________(3)貨物以1.5米/秒勻速下降:__________
拉力F與重力G是一對平衡力,大小相等。
貨物在豎直方向上受到的力有:重力G、拉力F。 貨物無論是靜止、勻速直線上升或下降,貨物都處于平衡狀態(tài),這兩個力都是一對平衡力,所以大小相等。 拉力的大小與物體勻速運動的速度無關(guān)。
8. 關(guān)于運動和力,下列說法正確的是( )
A. 物體處于靜止,一定不受外力
B. 物體在平衡力作用下,一定保持靜止狀態(tài)
C. 物體在平衡力作用下,一定作勻速直線運動
D. 運動的物體在平衡力作用下,一定作勻速直線運動
物體在平衡力作用下,會保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)。 靜止的物體在平衡力作用下,一定靜止; 運動的物體在平衡力作用下,一定作勻速直線運動。
9. 關(guān)于二力平衡的說法中,正確的是( ) A. 一個物體受到兩個力作用,若處于勻速直線運動狀態(tài),這兩個力一定是平衡力 B. 做勻速直線運動的物體,一定只受到一對平衡力作用 C. 只要兩個力大小相等、方向相反,并作用在一條直線上,這兩個力一定是平衡力 D. 以上情況都有可能
①一個物體受到兩個力作用,若處于靜止或勻速直線運動狀態(tài),這兩個力一定是平衡力。②二力平衡條件是:大小相等、方向相反、同一直線、作用在同一物體上。 所以選項A正確。
10.如圖甲、乙所示,小強用形狀不規(guī)則的薄板、重垂線、大頭針、直尺和記號筆等器材進行實驗。
②該實驗所應(yīng)用的物理知識有: 、 。(寫出兩點)
①觀察圖中的實驗過程及現(xiàn)象可知,小強同學(xué)的實驗?zāi)康氖怯脩覓旆ㄕ摇? ;根據(jù)圖乙,說明他判斷的重心是 。
①觀察圖中的實驗過程及現(xiàn)象可知,小強同學(xué)的實驗?zāi)康氖怯脩覓旆ㄕ摇? ??;根據(jù)圖乙,說明他判斷的重心是 。②該實驗所應(yīng)用的物理知識有:_________(寫出兩點)。
①由圖知,是利用“懸掛法”來確定形狀不規(guī)則薄板的重心位置;當薄板靜止時,由二力平衡條件可知重力和拉力的作用線在同一直線上,重心既在l1上,又在l2上,故薄板的重心在l1、l2的交點處;②該實驗應(yīng)用的物理知識有:重力的方向豎直向下;二力平衡條件?!敬鸢浮竣俨灰?guī)則薄板的重心;薄板的重心在l1、l2的交點處;②二力平衡的條件;重力的方向始終豎直向下。
11.某物理學(xué)習(xí)小組在“探究二力平衡的條件”實驗時,自制了一套如圖所示的實驗裝置,將系于小卡片(重力可忽略不計)兩對角的細線,分別跨過左右支架上的定滑輪。
(1)本實驗觀察的對象是______;(2)在細線的兩端掛上鉤碼,使作用在小卡片上的兩個拉力方向______(選填“相同”或者“相反”),并通過調(diào)整鉤碼的數(shù)量來改變兩端拉力的______ .
(1)實驗中通過觀察小卡片能否靜止,確定其是否處于平衡狀態(tài), 故研究對象是小卡片。(2)細線兩端掛上鉤碼,兩個鉤碼由于重力通過繩子對小卡片施加了兩個方向相反的拉力,拉力的大小等于鉤碼的重力,鉤碼的數(shù)量越多,拉力就越大。
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