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    2023届高考物理一轮复习 第8讲 受力分析 共点力的平衡 讲义(考点+经典例题)
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    2023届高考物理一轮复习 第8讲 受力分析 共点力的平衡 讲义(考点+经典例题)

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    这是一份2023届高考物理一轮复习 第8讲 受力分析 共点力的平衡 讲义(考点+经典例题),共7页。试卷主要包含了物体的受力分析,静态平衡问题,动态平衡问题,平衡中的临界与极值问题等内容,欢迎下载使用。

    1.力学中的五种力
    2.受力分析
    (1)把指定物体(研究对象)在特定的物理环境中受到的所有外力都找出来,并画出受力示意图的过程。
    (2)一般步骤
    3.整体法与隔离法
    【典例1】 [2020·天津市东丽区等级考试模拟(三)]如图2所示,水平面上的P、Q两物块的接触面水平,二者叠在一起在作用于Q上的水平恒定拉力F的作用下向右做匀速运动,某时刻撤去力F后,二者仍能不发生相对滑动。关于撤去F前后Q的受力个数的说法正确的是( )
    A.撤去F前6个,撤去F后瞬间5个
    B.撤去F前5个,撤去F后瞬间5个
    C.撤去F前5个,撤去F后瞬间4个
    D.撤去F前4个,撤去F后瞬间4个
    答案 B解析 撤去F前,物体Q受到:重力、地面的支持力、P对Q的压力、地面对Q的摩擦力和力F共5个力的作用;撤去F后的瞬间,两物体做减速运动,此时Q受力: 重力、地面的支持力、P对Q的压力、地面对Q的摩擦力和P对Q的摩擦力,共5个力作用,选项B正确。
    【典例2】如图所示,物体A靠在竖直墙面上,在竖直向上的力F作用下,A、B共同向上匀速运动,下列说法正确的是( )
    A.物体A受到物体B对它的作用力的大小等于物体A的重力
    B.物体B受到的作用力F的大小要小于物体A、B的重力之和
    C.墙面对物体A的滑动摩擦力方向向下
    D.物体A对物体B的静摩擦力方向沿接触面斜向上
    答案A 解析A、B共同向上匀速运动,则A和B均处于受力平衡状态。对B分析可知,B受A的作用力、向下的重力、向上的力F三力作用,则A对B的作用力竖直向下,B对A的作用力竖直向上,分析可知,B对A的作用力大小等于A的重力,选项A正确;A、B整体水平方向不受力,故墙面对A、B无弹力作用,墙面对物体A没有摩擦力,F大小等于A、B的重力之和,选项B、C错误;物体A对物体B的静摩擦力方向沿接触面斜向下,选项D错误。
    考点二 静态平衡问题
    1.共点力平衡
    (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若三个不共线的共点力合力为零,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。
    2.处理平衡问题的基本思路
    确定平衡状态(加速度为零)→巧选研究对象(整体法或隔离法)→受力分析→建立平衡方程→求解或作讨论。
    3.常用的方法
    (1)在判断弹力或摩擦力是否存在以及确定它们的方向时常用假设法。
    (2)求解平衡问题时常用二力平衡法、矢量三角形法、正交分解法、图解法等。
    【典例3】(2021·1月湖北学业水平选择性考试模拟演练)如图所示,矩形平板ABCD的AD边固定在水平面上,平板与水平面夹角为θ,AC与AB的夹角也为θ。质量为m的物块在平行于平板的拉力作用下,沿AC方向匀速运动。物块与平板间的动摩擦因数μ=tan θ,重力加速度大小为g,拉力大小为( )
    A.2mgsin θcs eq \f(θ,2) B.2mgsin θ
    C.2mgsin eq \f(θ,2) D.mgsin θcs eq \f(θ,2)
    答案 A解析 对物块受力分析,如图甲、乙所示,重力沿斜面向下的分力为mgsin θ,支持力FN=mgcs θ,滑动摩擦力Ff=μFN=mgsin θ,则拉力F=2mgsin θcseq \f(θ,2),故A正确。
    【典例4】(多选)如图所示,质量均为m的小球A、B用劲度系数为k1的轻弹簧相连,B球用长为L的细绳悬于O点,A球固定在O点正下方,当小球B平衡时,绳子所受的拉力为T1,弹簧的弹力为F1;现把A、B间的弹簧换成原长相同但劲度系数为k2(k2>k1)的另一轻弹簧,在其他条件不变的情况下仍使系统平衡,此时绳子所受的拉力为T2,弹簧的弹力为F2,则下列关于T1与T2、F1与F2大小之间的关系,正确的是( )
    A.T1>T2 B.T1=T2
    C.F1答案 BC解析:以小球B为研究对象,分析受力情况,如图所示。由平衡条件可知,弹簧的弹力F和绳子的拉力T的合力F合与小球的重力mg大小相等、方向相反,即F合=mg,由三角形相似得:eq \f(mg,AO)=eq \f(F,AB)=eq \f(T,OB),AO、OB不变,而T=eq \f(OB,AO)mg,故T大小不变,即T1=T2;当弹簧劲度系数变大时,弹簧的压缩量减小,AB增大,而F=eq \f(AB,AO)mg,故F变大,即F2>F1。故A、D错误,B、C正确。
    考点三 动态平衡问题
    1.动态平衡
    动态平衡就是通过控制某一物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,但变化过程中的每一个状态均可视为平衡状态,所以叫动态平衡。
    2.常用方法
    解析法、图解法、相似三角形法等,特别是三力动态平衡问题,常用图解法分析。
    题型1 图解法的应用
    用图解法分析物体动态平衡问题时,一般是物体只受三个力作用,且其中一个力大小、方向均不变,另一个力的方向不变,第三个力大小、方向均变化。
    【典例5】(2020·广东汕头市第一次模拟)如图所示,足够长的光滑平板AP与BP用铰链连接,平板AP与水平面成53°角固定不动,平板BP可绕水平轴在竖直面内自由转动,将一均匀圆柱体O放在两板间。在使BP板由水平位置缓慢转动到竖直位置的过程中,下列说法正确的是( )
    A.当BP沿水平方向时,BP板受到的压力最大
    B.当BP沿竖直方向时,AP板受到的压力最大
    C.当BP沿竖直方向时,BP板受到的压力最小
    D.当BP板与AP板垂直时,AP板受到的压力最小
    答案 B解析 当BP沿水平方向时,BP板受到的压力等于圆柱体的重力,AP板受到的压力为零。当挡板PB逆时针缓慢地转向竖直位置的过程中,小球受重力、斜面AP的弹力F1和挡板BP的弹力F2,将F1与F2合成为F=mg,如图;小球一直处于平衡状态,三个力中的任意两个力的合力与第三个力等值、反向、共线,故F1和F2的合力F一定与重力等值、反向、共线。从图中可以看出,F1越来越大,F2先变小,后变大,到竖直位置时,F2>mg,故选项B正确,A、C、D错误。
    题型2 解析法的应用
    【典例6】如图所示,用甲、乙两根筷子夹一个小球,甲倾斜,乙始终竖直。在竖直平面内,甲与竖直方向的夹角为θ,筷子与小球间的摩擦很小,可以忽略不计。小球质量一定,随着θ缓慢减小,小球始终保持静止,则下列说法正确的是( )
    A.筷子甲对小球的弹力变小
    B.筷子乙对小球的弹力不变
    C.两根筷子对小球的弹力均增大
    D.两根筷子对小球的合力将增大
    答案 C解析 对小球受力分析如图
    根据平衡条件可知F2cs θ=F1,F2sin θ=mg
    解得F1=eq \f(mg,tan θ),F2=eq \f(mg,sin θ)
    随着θ减小,F1,F2都在增大,故A、B错误,C正确;由于小球处于静止状态,两根筷子对小球的合力等于小球的重力,故一直不变,故D错误。
    题型3 相似三角形法
    对于物体沿圆弧缓慢移动的动态平衡问题,常把力的矢量三角形与几何三角形联系起来,根据三角形相似,讨论力的大小变化情况。另外需要注意的是构建三角形时可能需要画辅助线。
    【典例7】(2020·吉林省吉林市第一次调研)(多选)如图所示,质量为m的小球套在竖直固定的光滑圆环上,在圆环的最高点有一个光滑小孔,一根轻绳的下端系着小球,上端穿过小孔用力F拉住,开始时绳与竖直方向夹角为θ,小球处于静止状态,现缓慢拉动轻绳,使小球沿光滑圆环上升一小段距离,则下列关系正确的是( )
    A.绳与竖直方向的夹角为θ时,F=2mgcsθ
    B.小球沿光滑圆环上升过程中,轻绳拉力逐渐增大
    C.小球沿光滑圆环上升过程中,小球所受支持力逐渐增大
    D.小球沿光滑圆环上升过程中,小球所受支持力大小不变
    答案 AD解析:开始时小球处于静止状态,对小球进行受力分析,小球受重力mg、拉力F、支持力N三个力,作出受力分析图如图,根据平衡条件可知,小球所受重力mg和圆环对它的支持力N的合力与轻绳的拉力F大小相等、方向相反,由几何知识有eq \f(mg,R)=eq \f(F,AB)=eq \f(N,R),则N=mg,且当绳与竖直方向的夹角为θ时,F=2mgcsθ,A正确;小球沿圆环缓慢上升,处于动态平衡状态,对小球进行受力分析,小球仍然只受重力mg、拉力F、支持力N三个力,由几何知识仍然有eq \f(mg,R)=eq \f(F,AB)=eq \f(N,R),该过程半径R不变,AB减小,故F减小,N不变,D正确,B、C错误。
    考点四 平衡中的临界与极值问题
    1.临界问题
    当某物理量变化时,会引起其他几个物理量的变化,从而使物体所处的平衡状态“恰好出现”或“恰好不出现”,在问题的描述中常用“刚好”“刚能”“恰好”等。
    2.极值问题
    平衡物体的极值,一般指在力的变化过程中的最大值和最小值问题。
    3.解题方法
    (1)极限法:首先要正确地进行受力分析和变化过程分析,找出平衡的临界点和极值点;临界条件必须在变化中去寻找,不能停留在一个状态来研究临界问题,而要把某个物理量推向极端,即极大和极小。
    (2)数学分析法:通过对问题的分析,依据物体的平衡条件写出物理量之间的函数关系(画出函数图像),用数学方法求极值(如求二次函数极值、公式极值、三角函数极值)。
    (3)物理分析方法:根据物体的平衡条件,作出力的矢量图,通过对物理过程的分析,利用平行四边形定则进行动态分析,确定最大值与最小值。
    【典例8】(多选)如图所示,竖直墙壁与光滑水平地面交于B点,质量为m1的光滑半圆柱体紧靠竖直墙壁置于水平地面上,O1为半圆柱体截面所在圆的圆心,质量为m2且可视为质点的均匀小球O2用长度等于A、B两点间距离的细线悬挂于竖直墙壁上的A点,小球静置于半圆柱体上,当换用质量不变,而半径不同的光滑半圆柱体时,细线与竖直墙壁的夹角θ就会跟着发生改变。已知重力加速度为g,不计各接触面间的摩擦,则下列说法正确的是( )
    A.当θ=60°时,半圆柱体对地面的压力大小为m1g+eq \f(3,4)m2g
    B.当θ=60°时,小球对半圆柱体的压力大小为eq \r(3)m2g
    C.换用不同的半圆柱体时,半圆柱体对竖直墙壁的最大压力大小为eq \f(1,2)m2g
    D.换用半径更大的半圆柱体时,半圆柱体对地面的压力保持不变
    答案 AC解析 对小球进行受力分析如图甲所示,连接O2B和O1O2,由几何关系可知θ=α,小球受力平衡,有FN1=m2gsin θ,FT=m2gcs θ,对小球和半圆柱体整体进行受力分析,整体受地面的支持力FN、墙壁的弹力F、细线的拉力FT、重力(m1+m2)g,如图乙所示,整体受力平衡,则在竖直方向上有FN+FTcs θ=(m1+m2)g,水平方向上有F=FTsin θ。当θ=60°时,FN1=eq \f(\r(3),2)m2g,由牛顿第三定律得小球对半圆柱体的压力大小为eq \f(\r(3),2)m2g,B错误;F=FTsin θ=eq \f(1,2)m2gsin 2θ,当θ=45°时,Fmax=eq \f(1,2)m2g,C正确;FN=(m1+m2)g-m2gcs2θ,当θ=60°时,FN=m1g+eq \f(3,4)m2g,当换用半径更大的半圆柱体时,θ改变,FN改变,由牛顿第三定律可知A正确,D错误。
    种类
    大小
    方向
    重力
    G=mg(不同高度、纬度、星球,g不同)
    竖直向下
    弹簧弹力
    F=kx(x为形变量)
    沿弹簧轴线
    静摩擦力
    0<Ff静≤Ffmax
    与相对运动趋势方向相反
    滑动摩擦力
    Ff滑=μFN
    与相对运动方向相反
    万有引力
    F=Geq \f(m1m2,r2)
    沿质点间的连线

    整体法
    隔离法
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