
1.知道平衡狀態(tài),了解共點力作用下物體平衡的概念和條件。
2.掌握解決平衡問題的常用方法,會用共點力的平衡條件解答實際問題。
3.認識到物理研究是對自然現(xiàn)象進行抽象的創(chuàng)造性工作,堅持實事求是,體會自然平衡之美。
知識點一 共點力作用下物體的平衡條件
1.平衡狀態(tài):物體靜止或做勻速直線運動時所處的狀態(tài)。
2.共點力作用下物體的平衡條件
(1)力的平衡:作用在物體上的幾個共點力的合力為零,這種情況稱為力的平衡。
(2)平衡條件:要使物體處于平衡狀態(tài),必須有:
F合=0。
物理學(xué)中的“緩慢運動”可視為速度很小,接近于0,從而把“緩慢運動”作為平衡狀態(tài)來處理。
1.思考辨析(正確的打√,錯誤的打×)
(1)若一個物體處于平衡狀態(tài),則此物體一定處于靜止狀態(tài)。(×)
(2)高空中沿直線勻速飛行的飛機處于平衡狀態(tài)。(√)
(3)物體速度為零,此時物體一定處于平衡狀態(tài)。(×)
知識點二 平衡條件的應(yīng)用
1.物體的靜態(tài)平衡:物體在力的作用下處于靜止狀態(tài),稱為靜態(tài)平衡,處于靜態(tài)平衡的物體所受的外力的合力為零。
2.物體在某方向的平衡:運動的物體在某一方向上所受的合力為零時,物體在該方向處于平衡狀態(tài)。
(1)地面上的大石頭屬于哪類平衡,合力為多少?
(2)水平勻速飛行的飛機合力為多少?
提示:(1)靜態(tài)平衡,合力為零。(2)合力為零。
2.思考辨析(正確的打√,錯誤的打×)
(1)物體處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)時所受的合力為零。(√)
(2)處于平衡狀態(tài)的物體,沿任何方向的合力均為零。(√)
“阿門阿前一棵葡萄樹,阿嫩阿嫩綠地剛發(fā)芽,蝸牛背著那重重的殼呀,一步一步地往上爬……”這是一首經(jīng)典的兒童歌曲。如圖所示,蝸牛在樹枝上勻速向上爬。
(1)請對蝸牛進行受力分析。
(2)若樹枝的傾角為α,則樹枝對重力為G的蝸牛的作用力是多大?方向如何?
提示:(1)蝸牛受豎直向下的重力,垂直樹枝向上的彈力,沿樹枝向上的摩擦力。
(2)因蝸牛緩慢爬行,說明處于平衡狀態(tài),即所受合力為零,因此樹枝對蝸牛的作用力大小為G,方向豎直向上。
考點1 共點力作用下物體的平衡及平衡條件
1.從運動學(xué)的角度理解平衡狀態(tài):平衡的物體處于靜止或勻速直線運動狀態(tài),此種狀態(tài)其加速度為零,即處于平衡狀態(tài)的物體加速度為零;反過來加速度為零的物體一定處于平衡狀態(tài)。
2.從動力學(xué)的角度理解平衡狀態(tài):處于平衡狀態(tài)的物體所受的合外力為零;反過來物體受到的合外力為零,它一定處于平衡狀態(tài)。
3.共點力的平衡條件:合力等于0,即F合=0。
正交分解法Fx合=0Fy合=0
其中Fx合和Fy合分別表示物體在x軸和y軸上所受的合力。
4.平衡條件的推論
(1)二力平衡:若物體在兩個力作用下處于平衡狀態(tài),則這兩個力一定等大、反向。
(2)三力平衡:若物體在三個共點力作用下處于平衡狀態(tài),則任意兩個力的合力與第三個力等大、反向。
(3)多力平衡:若物體在n個共點力作用下處于平衡狀態(tài),則其中任意一個力必定與另外(n-1)個力的合力等大、反向。
【典例1】 物體在四個共點力作用下保持平衡,撤去F1而保持其他三個力不變,則此時物體所受的合力F( )
A.大小等于F1,方向與F1相反
B.大小等于F1,方向與F1相同
C.大小大于F1,方向與F1相反
D.由于運動狀態(tài)不明確,無法確定
思路點撥:多力平衡時,任意一個力與其他力的合力等大、反向。
A [由物體處于平衡狀態(tài)可知其余三個力的合力與F1等大、反向,故撤去F1,其余三個力不變,這三個力的合力方向與F1方向相反,大小等于F1,則A正確,B、C、D錯誤。]
“靜止”與“v=0”的區(qū)別
(1)物體保持靜止狀態(tài):說明v=0,a=0,物體受合外力為零,物體處于平衡狀態(tài)。
(2)物體運動速度v=0則有兩種可能:
①v=0,a≠0,物體受合外力不等于零,物體并不保持靜止,處于非平衡狀態(tài),如上拋到最高點的物體。
②v=0,a=0,這種情況與(1)中的靜止狀態(tài)一致。
[跟進訓(xùn)練]
1.如圖所示,有一均勻梯子AB斜靠在豎直墻上,處于靜止狀態(tài),假設(shè)墻面光滑,地面粗糙,則地面對梯子的作用力可能沿( )
A.F1的方向 B.F2的方向
C.F3的方向D.F4的方向
B [對梯子受力分析知,梯子受豎直向下的重力G,墻施加的水平向右的彈力FN,另外地面施加的作用力F,此三力不平行,故三力應(yīng)共點,如圖所示,F(xiàn)應(yīng)與G、FN交于一點,所以可能的方向是沿F2的方向。
]
考點2 解答共點力平衡問題的三種常用方法
【典例2】 在科學(xué)研究中,可以用風力儀直接測量風力的大小,其原理如圖所示。儀器中一根輕質(zhì)金屬絲懸掛著一個金屬球。無風時,金屬絲豎直下垂;當受到沿水平方向吹來的風時,金屬絲偏離豎直方向一個角度。風力越大,偏角越大。那么風力大小F跟金屬球的質(zhì)量m、偏角θ之間有什么樣的關(guān)系呢(重力加速度為g)?
思路點撥:(1)研究對象:金屬球;(2)受力分析;(3)利用平衡條件列式處理。
[解析] 選取金屬球為研究對象,它受到三個力的作用,如圖甲所示。
方法一:力的合成法
如圖乙所示,風力F和拉力T的合力與重力等大反向,則有F=mg tan θ。
方法二:力的效果分解法
將重力沿金屬絲方向和水平方向分解,如圖丙所示
則有F-mg tan θ=0
得F=mg tan θ。
方法三:正交分解法
以金屬球為坐標原點,取水平方向為x軸,豎直方向為y軸,建立直角坐標系,如圖丁所示。水平方向的合力Fx合和豎直方向的合力Fy合分別等于零
即Fx合=T sin θ-F=0
Fy合=T cs θ-mg=0
解得F=mg tan θ。
[答案] F=mg tan θ
處理平衡問題的四個步驟
選擇研究對象?選取一個平衡體(單個物體或系統(tǒng),也可以是結(jié)點)作為研究對象
?
畫受力示意圖?對研究對象進行受力分析,畫出受力示意圖
?
明確解題策略?合成法、分解法、正交分解法、力的三角形法
?
列方程求解 ?根據(jù)平衡條件列出平衡方程,解平衡方程,對結(jié)果進行討論
[跟進訓(xùn)練]
2.“中國天眼”是口徑為500 m的球面射電望遠鏡。維護時為不損傷望遠鏡球面,質(zhì)量為m的工作人員被懸在空中的氦氣球拉著,當他在離底部有一定高度的望遠鏡球面上緩慢移動時,氦氣球?qū)ζ溆写笮?6mg方向豎直向上的拉力作用,使其有“人類在月球上行走”的感覺,若將人視為質(zhì)點,此時工作人員( )
A.受到的重力大小為16mg
B.受到的合力大小為16mg
C.對球面的壓力大小為16mg
D.對球面的作用力大小為16mg
D [人受到的重力大小仍為mg,選項A錯誤;因人在球面上緩慢移動,所以合外力應(yīng)該為零,選項B錯誤;根據(jù)題意,人的受力分析如圖所示,人對球面的壓力應(yīng)該小于mg6,選項C錯誤;根據(jù)共點力的平衡,人對球面的作用力(支持力、靜摩擦力的合外力)應(yīng)該等于mg6,選項D正確。
]
1.(多選)下面關(guān)于共點力的平衡與平衡條件的說法正確的是( )
A.如果物體的運動速度為零,則必處于平衡狀態(tài)
B.如果物體的運動速度大小不變,則必處于平衡狀態(tài)
C.如果物體處于平衡狀態(tài),則物體沿任意方向的合力都必為零
D.如果物體受到三個共點力的作用而處于平衡狀態(tài),則任意兩個力的合力與第三個力大小相等,方向相反
CD [物體運動速度為零時不一定處于平衡狀態(tài),A錯誤;物體運動速度大小不變、方向變化時,不是做勻速直線運動,一定不是處于平衡狀態(tài),B錯誤;物體處于平衡狀態(tài)時,合力為零,物體沿任意方向的合力都必為零,C正確;任意兩個共點力的合力與第三個力等大反向,合力為零,物體處于平衡狀態(tài),D正確。]
2.一只質(zhì)量為m的螢火蟲停在傾角為θ的枝條上,枝條對螢火蟲的作用力大小為(重力加速度為g)( )
A.mg sin θ B.mg cs θ
C.mg tan θD.mg
D [螢火蟲是靜止的,所以處于平衡狀態(tài),它受到豎直向下的重力,以及枝條的作用力,說明枝條對它的力與重力的大小相等、方向相反,所以枝條對螢火蟲的作用力大小為mg,方向豎直向上,故選D。]
3.物塊在輕繩的拉動下沿傾角為30°的固定斜面向上勻速運動,輕繩與斜面平行。已知物塊與斜面之間的動摩擦因數(shù)為33,重力加速度取10 m/s2。若輕繩能承受的最大張力為1 500 N,則物塊的質(zhì)量最大為( )
A.150 kg B.1003 kg
C.200 kgD.2003 kg
A [設(shè)物塊的質(zhì)量最大為m,將物塊的重力沿斜面方向和垂直斜面方向分解,由平衡條件,在沿斜面方向有F=mg sin 30°+μmg cs 30°,解得m=150 kg,A項正確。]
4.(新情境題:以圓柱體工件沿V形槽運動為背景,考查平衡條件)一個質(zhì)量m=10 kg的圓柱體工件放在V形槽中,槽頂角α=60°,槽與圓柱體工件接觸處的動摩擦因數(shù)處處相同且大小為μ=0.25,則:(重力加速度g取10 m/s2)
甲 乙
(1)要沿圓柱體工件的軸線方向(如圖甲所示)水平地把圓柱體工件從槽中拉出來,人至少要施加多大的拉力?(最大靜摩擦力等于滑動摩擦力)
(2)把整個裝置傾斜(如圖乙所示),保證圓柱體工件和槽始終處于相對靜止狀態(tài),此過程中圓柱體工件和槽之間的摩擦力怎樣變化?
[解析] (1)分析圓柱體工件的受力可知,沿軸線方向受到拉力F、兩個側(cè)面對圓柱體工件的滑動摩擦力,由題給條件知,F(xiàn)=f。將重力進行分解,如圖所示。
因為α=60°,所以F1=F2=mg
由f=μF1+μF2
解得:F=0.5mg=50 N。
(2)因圓柱體工件和槽始終處于相對靜止狀態(tài),故由f′=mg sin θ知靜摩擦力逐漸增大。
[答案] (1)50 N (2)逐漸增大
回歸本節(jié)知識,自我完成以下問題:
(1)什么是平衡狀態(tài)?
提示:物體靜止或勻速直線運動時所處的狀態(tài)。
(2)物體處于平衡狀態(tài)時應(yīng)滿足什么條件?
提示:物體所受的合力為零。
生活實踐中的物理
在我國某些地區(qū)有一種伸臂橋(如圖甲所示)。當?shù)厝藢⒛景逯丿B,逐漸向河面延伸。他們用不太長的木板鋪設(shè)橋面,同時使逐漸向河中心延伸的木板與泥土形成整體,并使其重心仍然在支持面內(nèi),巧妙地形成穩(wěn)定的平衡結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)用兩根木條疊放的方式探究伸臂橋的平衡穩(wěn)定問題。選兩塊質(zhì)地均勻、質(zhì)量相同的木條疊放在桌子邊緣如圖乙擺放。
若木條長度均為l,為使這兩塊木條保持平衡,不致翻倒。木條2的右端離桌沿的水平距離最遠可為多少?還有哪些因素會影響伸臂橋的安全?
甲 乙
伸臂橋示意圖 怎樣保持平衡
提示:如圖所示,對于木條2,只要其伸出的長度不超l2,就不會翻倒,將木條1、2看成一個整體,在木條2伸出l2的情況下,其總重心在距木條2右側(cè)34l處,只要其重心位置保證在桌面正上方,木條1、2都不會翻倒,故木條2的右端離桌沿的水平距離最遠為34l。
影響伸臂橋安全的因素有:木板的承壓能力、木板的長度、各層木板向前延伸的長度、木板上方填壓的沙石對重心的影響及過往行人、車輛的總重等。
課時分層作業(yè)(十三) 共點力的平衡
題組一 對物體平衡條件的理解
1.一個物體受到三個共點力的作用,如果三個力的大小為如下各組情況,那么有可能使物體處于平衡狀態(tài)的是( )
A.1 N 4 N 7 N B.2 N 6 N 9 N
C.2 N 5 N 8 ND.6 N 8 N 6 N
D [能否使物體處于平衡狀態(tài),要看三個力的合力是否可能為零,方法是兩個較小力加起來是否大于或等于最大的那個力,如果是就可能。因為兩個力的合力范圍是|F1-F2|≤F≤F1+F2,若F3在此范圍內(nèi),就可能與F平衡,故D正確。]
2.如圖所示,一輕繩的兩端分別固定在不等高的A、B兩點,現(xiàn)用另一輕繩將一物體系于O點,設(shè)輕繩AO、BO相互垂直,與水平線的夾角分別為α、β,α>β,且兩繩中的拉力分別為FA、FB,物體受到的重力為G,下列表述正確的是( )
A.FA一定大于G
B.FA一定大于FB
C.FA一定小于FB
D.FA與FB大小之和一定等于G
B [對O點受力分析如圖所示,由三力平衡的知識可知,F(xiàn)A、FB的合力大小等于G,方向豎直向上,F(xiàn)A=G sin α,F(xiàn)B=G sin β,故FA一定小于G,A錯誤;因為α>β,故FA一定大于FB,B正確,C錯誤;FA與FB大小之和一定大于G,D錯誤。
]
3.在某駕校的訓(xùn)練場地上,有一段半徑很大的圓弧形坡道,如圖所示,若將同一輛車先后停放在a點和b點,a點和b點處的斜面傾角均小于45°。下列分析正確的是( )
A.車在a點受到坡道的支持力小于在b點受到的支持力
B.車在a點受到坡道的摩擦力大于在b點受到的摩擦力
C.車在a點受到的合外力大于在b點受到的合外力
D.車在a點受到的合外力等于在b點受到的合外力
D [根據(jù)平衡條件有:N=mg cs θ,f=mg sin θ,b點的傾角大于a點的傾角,所以a點的支持力大于b點的支持力,車在a點所受的摩擦力小于在b點所受的摩擦力,故A、B錯誤;車處于靜止狀態(tài),所以車在a點受到的合力等于在b點所受的合力,等于零,故C錯誤,D正確。]
4.(2023·江蘇卷)如圖所示,“嫦娥五號”探測器靜止在月球平坦表面處。已知探測器質(zhì)量為m,四條腿與豎直方向的夾角均為θ,月球表面的重力加速度為地球表面重力加速度g的16。每條腿對月球表面壓力的大小為( )
A.mg4 B.mg4csθ C.mg6csθ D.mg24
D [對“嫦娥五號”探測器受力分析有FN=mg月,則對一條腿有FN1=14mg月=mg24,可知每條腿對月球表面的壓力為mg24。]
題組二 平衡條件的應(yīng)用
5.如圖所示,兩根等長的輕繩將日光燈懸掛在天花板上,兩繩與豎直方向的夾角都為45°,日光燈保持水平,所受重力為G,左、右兩繩的拉力大小分別為( )
A.G和G B.22G和22G
C.12G和32GD.12G和12G
B [對日光燈受力分析,如圖所示。由物體的平衡條件可知F1sin 45°=F2sin 45°,F(xiàn)1cs 45°+F2cs 45°=G,聯(lián)立求得F1=F2=22G,故選項B正確。
]
6.如圖所示,在水平天花板上用繩AC、BC和CD吊起一個物體,使其處于靜止狀態(tài),結(jié)點為C,繩子的長度分別為AC=4 dm,BC=3 dm,懸點A、B間距為5 dm。則AC繩、BC繩、CD繩上的拉力大小之比為( )
A.20∶15∶12
B.4∶3∶5
C.3∶4∶5
D.因CD繩長未知,故無法確定
C [對結(jié)點C進行受力分析,如圖所示,由平衡條件知,AC繩、BC繩上拉力的合力與CD繩上的拉力等大反向。由幾何關(guān)系知,AC繩、BC繩、CD繩上的拉力大小之比為3∶4∶5,所以C正確。
]
7.如圖所示,一物塊置于水平地面上。當用與水平方向成60°角的力F1拉物塊時,物塊做勻速直線運動;當改用與水平方向成30°角的力F2推物塊時,物塊仍做勻速直線運動。若F1和F2大小相等,則物塊與地面間的動摩擦因數(shù)為( )
A.3-1 B.2-3
C.32-12D.1-32
B [對兩種情況下的物塊分別受力分析,并正交分解,如圖所示。由平衡條件可得F1x=f1,F(xiàn)1y+FN=mg,F(xiàn)2x=f2,F(xiàn)2y+mg=F′N,而f1=μFN,f2=μF′N,可得F1cs 60°=μ(mg-F1sin 60°),F(xiàn)2cs 30°=μ(mg+F2sin 30°),又根據(jù)題意F1=F2,解得μ=2-3。
]
8.如圖所示,用三根細線a、b、c將兩個小球1和2懸掛起來,靜止在豎直面內(nèi),已知兩球重均為G,細線a與豎直方向夾角為30°,細線c水平。關(guān)于三根細線a、b、c的拉力Ta、Tb、Tc大小的比較正確的是( )
A.Ta一定小于Tb B.Ta一定大于Tc
C.Ta可能小于TcD.Tb可能小于Tc
B [對小球1受力分析,根據(jù)平衡狀態(tài)可知,Ta等于Tb與重力的合力,因為Tb與重力夾角是銳角,所以Ta一定大于Tb,故A錯誤;將兩小球看作一個整體,對整體受力分析,受力如圖所示,根據(jù)共點力的平衡條件有:Ta=2Gcs30°=433G,Tc=2G tan 30°=233G,所以a繩拉力一定大于c繩拉力,故B正確,C錯誤;同理,Tb等于小球2的重力與Tc的合力大小,重力與Tc相互垂直,根據(jù)勾股定理可知,Tb大于Tc,故D錯誤。
]
9.如圖所示,一輕質(zhì)三腳架的B處懸掛一定滑輪(質(zhì)量不計)。一體重為500 N的人通過拉跨過定滑輪的輕繩勻速提起一重為300 N的物體。
(1)此時地面對人的支持力是多大?
(2)斜桿BC、橫桿AB所受的力各是多大?
[解析] (1)物體勻速運動,繩上的拉力為T=300 N,對人進行受力分析,如圖所示。
根據(jù)平衡條件:G=T+N
N=G-T=500 N-300 N=200 N。
(2)B點受到繩子向下的拉力F=600 N,產(chǎn)生的作用效果如圖所示
FBC=Fcs30°=4003 N
FAB=F tan 30°=2003 N。
[答案] (1)200 N (2)4003 N 2003 N
10.(多選)將小船用繩索拉向岸邊,如圖所示,設(shè)船在水中運動時水的阻力大小不變,那么在小船勻速靠岸的過程中,下列說法正確的是( )
A.繩子的拉力T增大 B.繩子的拉力T不變
C.船的浮力減小D.船的浮力增大
AC [小船受四個力的作用而勻速前進。水平方向:F′=T cs θ,豎直方向:T sin θ+F浮=mg,當θ角增大時,由于阻力F′不變,則拉力T增大,浮力F浮減小。]
11.(多選)如圖所示,質(zhì)量分別為m1、m2的兩個物體通過輕彈簧連接,在力F的作用下一起沿水平方向做勻速直線運動(m1在地面上,m2在空中),力F與水平方向成θ角。則m1所受支持力N和摩擦力f正確的是( )
A.N=m1g+m2g-F sin θ
B.N=m1g+m2g-F cs θ
C.f=F cs θ
D.f=F sin θ
AC [選整體為研究對象,在水平方向整體受摩擦力f和F在水平方向的分力,根據(jù)平衡條件得f=F cs θ,所以選項C正確,選項D錯誤;在豎直方向受支持力N、重力和F在豎直方向的分力,根據(jù)平衡條件得N=m1g+m2g-F sin θ,所以選項A正確,選項B錯誤。]
12.一質(zhì)量為m的物塊恰好靜止在傾角為θ的斜面上。現(xiàn)對物塊施加一個豎直向下的恒力F,如圖所示。則物塊( )
A.仍處于靜止狀態(tài)B.沿斜面加速下滑
C.受到的摩擦力不變D.受到的合外力增大
A [無力F時受力情況如圖甲所示,使物塊下滑的力F1=mg sin θ,物塊恰好靜止,則最大靜摩擦力可認為等于滑動摩擦力,物塊受到的最大靜摩擦力fm=μN=μmg cs θ,即mg sin θ=μmg cs θ,解得μ=tan θ,當施加恒力F后,受力情況如圖乙所示,
甲 乙
使物塊下滑的力為F2=mg sin θ+F sin θ,物塊所受最大靜摩擦力為f′m=μ(mg cs θ+F cs θ)=mg sin θ+F sin θ,即F2=f′m,兩者相等,物塊仍處于靜止狀態(tài),A正確,B錯誤;由于f′m>fm,C錯誤;物塊始終靜止,則受到的合力始終為零,D錯誤。]
13.如圖所示,質(zhì)量為m的木板B放在水平地面上,質(zhì)量也為m的木箱A放在木板B上,重力加速度為g,一根輕繩一端拴在木箱上,另一端拴在地面的木樁上,繩繃緊時與水平面的夾角為θ。已知木箱A與木板B之間的動摩擦因數(shù)、木板B與地面之間的動摩擦因數(shù)均為μ。現(xiàn)用水平力F將木板B從木箱A下面勻速抽出。求:輕繩的張力的大小和水平拉力F的大小。
[解析] 對A進行受力分析,由正交分解法可得
fA=μFNA=FT cs θ,F(xiàn)NA=mg+FT sin θ
解得FT=μmgcsθ-μsinθ
對B進行受力分析,由正交分解法可得F=fA+fB,F(xiàn)NB=FNA+mg,fB=μFNB
解得水平拉力F=μmg3csθ-μsinθcsθ-μsinθ。
[答案] μmgcsθ-μsinθ μmg3csθ-μsinθcsθ-μsinθ
第一步:作圖
第二步:計算
適用情境
合成法
作平行四邊形步驟:
①畫已知大小和方向的力
②畫已知方向的力
③畫已知大小的力
根據(jù)三角函數(shù)、勾股定理、等邊三角形、相似三角形等計算合力(或分力)
根據(jù)平衡條件確定與合力(或分力)平衡的力
受力個數(shù)≤3,已知力個數(shù)=2
效果分
解法
受力個數(shù)≤3,已知力個數(shù)=1
正交分
解法
①確定坐標軸方向
②分解不在軸上的力
根據(jù)平衡條件列方程
解方程,求解未知力
適用于各種情況,尤其受力個數(shù)>3的情況
這是一份高中物理魯科版 (2019)必修 第一冊第3節(jié) 速度導(dǎo)學(xué)案,共19頁。
這是一份必修 第一冊5 共點力的平衡學(xué)案設(shè)計,共21頁。
這是一份魯科版 (2019)必修 第一冊第3節(jié) 共點力的平衡導(dǎo)學(xué)案及答案,共10頁。
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