力 物體的平衡

2022-12-07 16:33:04 字數 4138 閱讀 4139

1. 力的概念:物體間的相互作用

理解:(1)任何乙個力都有施力者和受力者,力不能離開物體而獨立存在;

(2)力具有相互性和同時性;

(3)一些不直接接觸的物體也能產生力;

(4)力的作用效果:使物體發生形變或改變物體的運動狀態。

例1:關於力的概念說法正確的是( )

a. 力是使物體產生形變和改變運動狀態的原因

b. 乙個力必定聯絡著兩個物體,其中每個物體既是受力物體又是施力物體

c. 只要兩個力的大小相同,它們產生的效果一定相同

d. 兩個物體相互作用,其相互作用力可以是不同性質的力

解析:兩個力相同的條件是滿足力的二要素,若僅僅大小相等,它們所產生的效果不一定相同。兩個物體間的相互作用力,性質必相同。故正確答案為ab。

2. 三種常見力

考查熱點:

(1)重力:主要針對其概念和重心,重力是由於地球對物體的吸引而產生的,但它並不是物體與地球之間的萬有引力,而是萬有引力的乙個分力。重力的作用點——重心,並不是物體上最重的點,而是乙個等效合力的作用點,可在物體上,也可在物體外,它的位置是由其幾何形狀和質量分布共同決定的。

(2)彈力和摩擦力的有無及方向的判定:

a. 彈力

① 對於形變明顯的情況,根據形變情況直接判定。

② 對於形變不明顯的情況,常用「假設法」判定。基本思路:假設將與研究物件接觸的物體解除接觸,判斷研究物件的運動狀態是否發生改變,若運動狀態不變,則此處不存在彈力。

b. 摩擦力

① 由摩擦力的產生條件來判斷。

② 對於較難直接判定的情況,常用假設法判定:假設沒有摩擦力,看兩物體會發生怎樣的相對運動。

③ 根據物體的運動狀態,用牛頓定律或平衡條件來判斷。

注:摩擦力(靜摩擦力和滑動摩擦力)的方向,與物體間的相對運動方向或相對運動趨勢的方向相反,而與物體的運動方向可能相同,也可能相反。摩擦力既可能成為物體運動的動力也有可能成為物體運動的阻力。

例2:如圖1,球與兩面接觸並處於靜止狀態,試分析球與兩接觸面間有無彈力。

圖1解析:球雖然與斜面接觸,但不相互擠壓,因為解除斜面後,小球仍能靜止,故小球b處無彈力,小球與水平面a處接觸,但解除水平面後小球不能靜止,故a處一定產生彈力。

例3:如圖2,物體a放在物體b上,力f作用在物體b上,兩者相對靜止以相同的速度v向前運動。試分析a、b間的摩擦力情況。

圖2解析:由於a、b一起以相同的速度v向前運動,即均處於平衡狀態。

對a:如圖3,只能受到兩個力作用:重力g和支援力fn。若a物體受到摩擦力作用,就不能保證物體平衡。

圖3對b:如圖4,物體b必然會受到地面給它的摩擦力來與力f平衡,否則就不能保證物體平衡。

圖4④ 摩擦力大小的求解。

a. 靜摩擦力:利用牛頓定律或共點力平衡知識求解。

b. 滑動摩擦力:既可利用公式求解,也可以利用牛頓定律或共點力平衡知識求解。

注:在解決摩擦力大小時,一定要分清是靜摩擦力還是滑動摩擦力。

例4:長直木板的上表面的一端放有一鐵塊,木板此端由水平位置緩慢向上轉動(即木板與水平面的夾角變大),另一端不動,如圖5。則鐵塊受到的摩擦力隨角度的變化圖象可能正確的是(設最大靜摩擦力等於滑動摩擦力):

圖5ab

cd解析:首先應將木板自水平位置緩慢上轉過程中鐵塊的受力情況及運動狀態分析清楚,由於整個過程較為複雜,我們可以將整個過程劃分為以下幾個階段:

(1)鐵塊從水平位置隨木板逐漸上公升,但始終對木板靜止;

(2)鐵塊剛要由靜止變為運動,此為臨界態,利用平衡條件:,可求出木板在此狀態下與水平面的夾角,其中為鐵塊與木板間的動摩擦因數;

(3)鐵塊沿木板下滑,木板傾角由逐漸增大到90°。

利用力的分解、平衡條件及滑動摩擦力的大小,分別求出鐵塊在不同階段所受的摩擦力大小,最後結合圖象進行判斷。

① 當木板從水平位置緩慢上轉,時,鐵塊始終相對木板靜止,此階段鐵塊必受沿木板向上的靜摩擦力,利用平衡條件可求出摩擦力的大小,由此關係可以看出,隨角的增大而增大,兩者滿足正弦關係。

② 當時,鐵塊處於臨界狀態,此時木板對鐵塊的靜摩擦力達到了最大值,即為最大靜摩擦力。

③ 當,鐵塊相對木板向下滑動,鐵塊受到滑動摩擦力作用,根據,可求出。可見隨著的增大,逐漸減小,兩者滿足余弦關係,當時,。

通過以上分析可以看出,正確的答案為c。

3. 力的合成與分解

(1)合力與分力的關係:等效替代關係

a. 位置關係:分力分居合力的兩側

b. 大小關係:

注:合力可能大於、小於或等於每個分力,當然需要一定的條件。兩分力同向時,合力最大;反向時合力最小,當兩分力大小一定時,合力大小會隨兩分力夾角的增大而減小。

例5:作用在同一物體上的下列幾組力中,不能使物體做勻速直線運動的是( )

a. 3n、4n、5n b. 2n、3n、6n c. 4n、6n、9n d. 5n、6n、1n

解析:三力中任意一組只要符合,則三力平衡,物體做勻速直線運動。選b

(2)力的合成與分解解決動態變化:

根據平行四邊形定則,利用鄰邊及其夾角跟對角線長短的關係分析力的大小變化情況的方法,通常叫做**法,也可將平行四邊形定則簡化成三角形定則處理,更簡單。**法具有直觀、簡便的特點,多用於定性研究,應用**法時應注意正確判斷某個分力方向的變化情況及其空間範圍。

例6:如圖6,質量為m的球放在傾角的光滑斜面上,試分析擋板ao與斜面間的傾角多大時,ao所受的壓力最小。

圖6解析:雖然題目要求擋板ao的受力情況,但若直接以擋板為研究物件,將無法得出結論。

以球為研究物件,球所受重力mg產生的效果有兩個:對擋板產生的壓力,其大小等於f2,對斜面產生的壓力,其大小等於f1,根據重力產生的效果將重力分解如圖,當擋板與斜面夾角為,由圖示位置變化時,f1的大小改變,但方向不變,始終垂直斜面;f2的大小方向均變化,由圖可知:f1一直減小,f2是先減小後增大。

當f1與f2垂直時,即時,擋板oa所受壓力最小為。

圖74. 共點力作用下的平衡問題

(1)臨界問題與極值問題:

a. 臨界問題:某種物理現象變化為另一種物理現象或物體從某種特性變化為另一種特性時,發生質的飛躍的轉折狀態為臨界狀態,臨界狀態也可理解為「恰好出現」或「恰好不出現」某種現象的狀態,解決這類問題的關鍵是抓住「恰好出現」或「恰好不出現」的條件。

b. 極值問題:指研究平衡問題中某物理量變化情況時出現的最大值或最小值。

例7:如圖8,能承受最大拉力為10n的細繩oa與豎直方向成45°角,能承受最大拉力為5n的細繩ob水平,細繩oc能承受足夠大的拉力,為使oa、ob均不被拉斷,oc下端所懸掛物體的最大重力是多少?

圖8解析:當oc下端所懸掛物重不斷增大時,細繩oa、ob所受的拉力同時增大,為了判斷哪根細繩先斷,可選o點為研究物件,其受力分析如圖9,假設ob不會被拉斷,且oa上的拉力先達到最大值,即,根據平衡條件有。

由於f2大於ob能承受的最大拉力,所以在物體重力不斷增加時,oa被拉斷前細繩ob先被拉斷。

則假設ob繩上的拉力剛好達到最大值,處於被拉斷的臨界狀態,根據平衡條件有,再選重物為研究物件,由平衡條件得以上三式聯立解得。

圖9(2)數學方法的應用:

在共點力平衡問題中常常用到的數學方法有:拉密原理、勾股定理、相似三角形、餘弦定理等。

例8:如圖10,三角形支架三邊長度之比為,頂端c懸掛100n的重物g時,bc杆受到的壓力為 n,ac杆受到的拉力為 n(杆的重力不計)。

圖10解析:如圖11,分析c點的受力,將重力g向和的反方向分解,則與兩三角形相似,對應邊成比例:,,

bc杆受到的壓力為200n,ac杆受到的拉力為150n。

圖11(3)整體法和隔離法:

對物體進行受力分析時,常常採用整體法和隔離法,有時整體法與隔離法綜合使用。

a. 隔離法:為了研究系統(連線體)內某個物體的受力和運動情況,一般可採用隔離法。

b. 整體法:當只涉及研究系統而不涉及系統內部某些物體的力和運動時,一般可採用整體法。

例9:如圖12,用輕質細線把兩個質量不等的小球懸掛起來,今對小球a施加乙個向左偏下30°的恒力f1,並對b小球施加乙個向右偏上30°的恒力f2,最後達到平衡,則表示平衡狀態的圖可能是( )

abcd

圖12解析:此題若採用隔離法分析計算會很麻煩,且難以得出結論。可將a、b球及細線看作乙個整體,這個整體處於平衡狀態,而f1和f2的合力為零,另外兩個力便是整個的重力和a上面的懸線的拉力。

由於重力方向豎直向下,可知a上面的懸線必沿著豎直方向,至於a、b之間的線如何,可通過對b小球進行受力分析便可知道其位置,由以上分析可知:只有a圖正確。

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