(新高考)高考物理二轮复习课件专题1 第1课时 力与物体的平衡 (含解析)

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第1课时　力与物体的平衡
NEIRONGSUOYIN
1.受力分析的4种方法
高考题型1　静态平衡问题
2.处理静态平衡问题的基本思路
例1　(2020·全国Ⅲ·17)如图1，悬挂甲物体的细线拴牢在一不可伸长的轻质细绳上O点处；绳的一端固定在墙上，另一端通过光滑定滑轮与物体乙相连.甲、乙两物体质量相等.系统平衡时，O点两侧绳与竖直方向的夹角分别为α和β.若α＝70°，则β等于A.45° B.55° C.60° D.70°
解析　取O点为研究对象，在三力的作用下O点处于平衡状态，对其受力分析如图所示，根据几何关系可得β＝55°，故选B.
例2　用卡车运输质量为m的匀质圆筒状工件，为使工件保持固定，将其置于两光滑斜面之间，如图2所示.两斜面Ⅰ、Ⅱ固定在车上，倾角分别为30°和60°.重力加速度为g.当卡车沿平直公路匀速行驶时，圆筒对斜面Ⅰ、Ⅱ压力的大小分别为F1、F2，则
解析　分析可知工件受力平衡，将工件受到的重力按照压紧斜面Ⅰ和Ⅱ的效果进行分解，如图所示，
结合几何关系可知工件对斜面Ⅰ的压力大小为
对斜面Ⅱ的压力大小为F2＝mgsin 30°＝ mg，选项D正确，A、B、C错误.
例3　(2020·山东卷·8)如图3所示，一轻质光滑定滑轮固定在倾斜木板上，质量分别为m和2m的物块A、B，通过不可伸长的轻绳跨过滑轮连接，A、B间的接触面和轻绳均与木板平行.A与B间、B与木板间的动摩擦因数均为μ，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.当木板与水平面的夹角为45°时，物块A、B刚好要滑动，则μ的值为
解析　A、B刚好要滑动时受力平衡，受力分析如图所示.对A：FT＝mgsin 45°＋μmgcs 45°对B：2mgsin 45°＝FT＋3μmgcs 45°＋μmgcs 45°
1.(2020·四川泸州市质量检测)如图4所示，三根不可伸长的轻绳一端共同系于O点，A端和B端分别固定在墙壁和地面上，某同学用水平方向的力拉绳OC，三绳绷紧后，OB绳竖直，OC绳水平，OA绳与竖直墙面夹角θ＝30°.三根绳能承受的最大拉力均为300 N，为保证三根轻绳都不被拉断，则人对OC绳的水平拉力最大不能超过A.100 N B.150 NC.150 N D.300 N
解析　对结点受力分析，如图所示，
由边角关系可知OA绳中的拉力最大，由平衡条件得：
则三根绳都不会被拉断，知FA≤300 N，解得：FC≤150 N，故选B.
2.(2020·山东兖州市3月网络模拟)如图5所示，竖直平面内固定的半圆弧轨道两端点M、N连线水平，将一轻质小环套在轨道上，一细线穿过轻环，一端系在M点，另一端系一质量为m的小球，不计所有摩擦，重力加速度为g，小球恰好静止在图示位置，下列说法正确的是A.轨道对轻环的支持力大小为mgB.细线对M点的拉力大小为C.细线对轻环的作用力大小为D.N点和轻环的连线与竖直方向的夹角为30°
解析　对圆环受力分析；因圆环两边绳子的拉力相等，可知两边绳子拉力与OA夹角相等，设为θ，由几何关系可知，∠OMA＝∠MAO＝θ，则3θ＝90°，θ＝30°，
细线对M点的拉力大小为FT＝mg，选项B错误；
由几何关系可知，N点和轻环的连线与竖直方向的夹角为30°，选项D正确.
3.(2020·河北省高三二模)某位同学用筷子将均匀球夹起悬停在空中，如图6所示，已知球心O与两根筷子在同一竖直面内，小球质量为m，筷子与竖直方向之间的夹角均为θ，筷子与小球表面间的动摩擦因数为μ(最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，重力加速度为g.每根筷子对小球的压力至少为
解析　对小球受力分析如图所示，2Ffcs θ＝mg＋2FNsin θFf＝μFN
1.解决动态平衡问题的一般思路
化“动”为“静”，多个状态下“静”态对比，分析各力的变化或极值.
2.三力作用下动态平衡
高考题型2　动态平衡问题
3.四力作用下动态平衡
(1)在四力平衡中，如果有两个力为恒力，或这两个力的合力方向确定，为了简便可用这两个力的合力代替这两个力，转化为三力平衡，例如：如图7，qEmc，选项B正确.
7.(2020·安徽蚌埠市高三月考)如图15所示，放在水平地面上的光滑绝缘圆筒内有两个带正电的小球A、B，A位于筒底靠在左侧壁处，B在右侧筒壁上受到A的斥力作用处于静止状态.若A的电荷量保持不变，B由于漏电而下降少许重新平衡，下列说法中正确的是 A.小球A对筒底的压力变小B.小球B对筒壁的压力变大C.小球A、B间的库仑力变小D.筒壁对小球A的弹力变小
解析　以整体为研究对象可知，圆筒底部对A球的支持力大小等于A、B两球的总重力，由牛顿第三定律可知A对筒底的压力大小也等于A、B两球的总重力，小球A对筒底的压力不变，故A错误；对B球受力分析如图所示根据平衡条件有FN＝mgtan θ球B由于漏电而下降少许重新平衡，θ角变大，因此筒壁给球B的支持力FN＝mgtan θ增大，
根据牛顿第三定律可知B球对筒壁的压力变大，故B正确；小球A、B间的库仑力为
θ角变大，cs θ变小，库仑力F变大，故C错误；以AB两球整体为研究对象，筒壁对B的弹力等于筒壁对A的弹力，所以筒壁对A的弹力增大，故D错误.
8.(2020·山西吕梁市期末)如图16所示，在磁感应强度B＝1.0 T、方向竖直向下的匀强磁场中，有一个与水平面成θ＝37°角的导电滑轨，滑轨上垂直放置着一个可自由移动的金属杆.已知接在滑轨中的电源电动势E＝16 V，内阻r＝1 Ω.ab杆长L＝0.5 m，质量m＝0.2 kg，杆与滑轨间的动摩擦因数μ＝0.5，滑轨与ab杆的电阻忽略不计.求要使杆在滑轨上保持静止，滑动变阻器R的阻值在什么范围内变化？(g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8，可认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力)
答案　1 Ω≤R≤21 Ω
解析　分别画出ab杆在恰好不下滑和恰好不上滑这两种情况下的受力分析图，如图所示.
当ab杆恰好不下滑时，如图甲所示.由平衡条件得：沿滑轨方向：mgsin θ＝Ff1＋F安1cs θ，垂直滑轨方向：FN1＝mgcs θ＋F安1sin θ，
当ab杆恰好不上滑时，如图乙所示，由平衡条件得：沿滑轨方向：mgsin θ＋Ff2＝F安2cs θ垂直滑轨方向：FN2＝mgcs θ＋F安2sin θ
解得R2＝1 Ω；所以，要使杆在滑轨上保持静止，R的阻值的取值范围是1 Ω≤R≤21 Ω.
1.(多选)(2020·哈尔滨师大附中联考)如图1所示为形状相同的两个劈形物体，它们之间的接触面光滑，两物体与水平地面的接触面均粗糙，现对A施加水平向右的力F，两物体均保持静止，则物体B的受力个数可能是A.2个 B.3个C.4个 D.5个
解析　对A受力分析可知，当F小于或等于A所受的最大静摩擦力时，A、B之间没有弹力，当F大于A所受的最大静摩擦力时，则A、B之间有弹力.当A对B没有弹力时，B受到重力和地面的支持力2个力；当A对B有弹力时，B还受到重力、地面的支持力与摩擦力，共4个力，故A、C正确，B、D错误.
2.(2020·福建莆田市检测)如图2，某同学将一足球静止摆放在收纳架上.他估测得足球的直径约为20 cm，质量约为0.48 kg，收纳架两根平行等高的横杆之间的距离d约为12 cm.忽略足球的形变以及球与横杆之间的摩擦，重力加速度g取10 m/s2，则可估算出一根横杆对足球的弹力约为A.2.4 N B.3.0 N C.4.0 N D.4.8 N
解析　对足球受力分析如图所示，设每根横杆对足球的弹力方向与竖直方向夹角为α，由几何关系可知
对足球，竖直方向有2FNcs α＝mg解得FN＝3.0 N故选B.
3.(2020·广东茂名市测试)如图3所示，质量分别为3m和m的两个可视为质点的小球a、b，中间用一细线连接，并通过另一细线将小球a与天花板上的O点相连，为使小球a和小球b均处于静止状态，且Oa细线向右偏离竖直方向的夹角恒为37°，需要对小球b朝某一方向施加一拉力F.若已知sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8，重力加速度大小为g，则当F的大小达到最小时，Oa细线对小球a的拉力大小为 D.4mg
解析　以两个小球组成的整体为研究对象，分析受力作出F在三个方向时整体的受力图如图所示，根据平衡条件得F与FT的合力与总重力总是大小相等、方向相反的，由力的合成图可知当F与绳子Oa垂直时F有最小值，即图中2位置，
此时Oa细线对小球a的拉力大小为FT＝4mgcs 37°＝3.2mg，故C正确，A、B、D错误.
4.(2020·天津高三一模)如图4所示，两个可视为质点的小球A、B通过固定在O点的光滑滑轮用轻绳相连，小球A置于光滑半圆柱上，小球B用水平轻绳拉着，水平轻绳另一端系于竖直板上，两球均处于静止状态.已知O点在半圆柱横截面圆心O1的正上方，OA与竖直方向成30°角、其长度与半圆柱横截面的半径相等，OB与竖直方向成60°角，则
A.轻绳对球A的拉力与球A所受弹力的合力大小相等B.轻绳对球A的拉力与半圆柱对球A的弹力大小不相等C.轻绳AOB对球A的拉力与对球B的拉力大小之比为D.球A与球B的质量之比为2 ∶1
解析　设轻绳中拉力为FT，对球A受力分析如图所示，所受弹力的合力为绳对A的拉力和半圆柱对球A的弹力的合力，与重力等大反向，大于FT，故A错误；对球A受力分析可得FTsin 30°＝FNsin 30°，FTcs 30°＋FNcs 30°＝mAg
轻绳对A的拉力与对球B的拉力都等于FT，故C错误；对球B有：FTcs 60°＝mBg，则FT＝2mBg
5.(多选)(2020·北京市十一学校高三月考)如图5所示，木块在垂直于倾斜天花板方向的推力 F 作用下处于静止状态，下列判断正确的是A.天花板与木块间的弹力可能为零B.天花板对木块的摩擦力一定不为零C.逐渐增大 F，木块将始终保持静止状态D.逐渐增大 F，木块受到天花板的摩擦力也随之增大
对木块受力分析如图所示.根据平衡条件得F＝FN＋Gcs α，Ff＝Gsin α，当逐渐增大F的过程，FN增大，最大静摩擦力增大，而木块受到的静摩擦力Ff不变，木块将始终保持静止，故C正确，D错误.
解析　木块在重力作用下，有沿天花板下滑的趋势，一定受到静摩擦力，则天花板对木块一定有弹力，故A错误，B正确；
6.如图6所示，用三根轻绳将A、B两小球以及水平天花板上的固定点O之间两两连接.然后用一水平方向的力F作用于A球上，此时三根轻绳均处于伸直状态，且OB绳恰好处于竖直方向，两球均处于静止状态.已知三根轻绳的长度之比为OA∶AB∶OB＝3∶4∶5，两球质量关系为mA＝2mB＝2m，则下列说法正确的是
解析　对球B受力分析，受到重力、OB的拉力，二力方向相反，假设AB绳子有拉力，则拉力的方向一定沿着绳子由B指向A的，球B会偏离竖直方向，与题设矛盾，
故AB绳子的拉力为零，故OB绳子的拉力等于球B的重力，大小为mg，故A、D错误；对球A受力分析，受拉力F、重力2mg和AO绳子的拉力FT，
7.(2020·山东省普通高中学业水平等级模拟考试)如图7所示，有10块完全相同的长方体木板叠放在一起，每块木板的质量为100 g，用手掌在这叠木板的两侧同时施加大小为F的水平压力，使木板悬空水平静止.若手与木板之间的动摩擦因数为0.5，木板与木板之间的动摩擦因数为0.2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10 m/s2，则F至少为A.25 N B.20 NC.15 N D.10 N
解析　先将所有的木板看成一个整体，竖直方向受重力、静摩擦力，二力平衡，有：2μ1F≥10mg再以除最外侧两块板(中间8块板)为研究对象，竖直方向受重力、静摩擦力，二力平衡，有：2μ2FN≥8mg，且FN＝F联立解得F≥20 N，选项B正确，A、C、D错误.
8.(多选)如图8，柱体A的横截面是圆心角为 的扇形面，其弧形表面光滑，而与地面接触的下表面粗糙.在光滑竖直墙壁与柱体之间放置一质量为m的球体，系统处于平衡状态.若使柱体向左移动稍许，系统仍处于平衡状态，则A.球对墙的压力增大B.柱体与球之间的作用力增大C.柱体所受的摩擦力减小D.柱体对地面的压力减小
解析　先对球受力分析，球受重力、柱体A对球的支持力FN1和墙壁对球的支持力FN2，如图甲所示，
再对整体受力分析，受重力、地面支持力FN、墙壁对其向左的支持力FN2和地面对其向右的摩擦力Ff，如图乙所示，根据共点力平衡条件，有：Ff＝FN2，FN＝(M＋m)g，故有：Ff＝mgtan θ，若使柱体向左移动稍许，系统仍处于平衡状态，θ变大，
故Ff变大，FN2变大，FN不变，根据牛顿第三定律可知柱体对地面的压力不变，FN1变大，根据牛顿第三定律可知球对墙的压力增大，故选项A、B正确，C、D错误.
9.(2020·陕西渭南市富平县高三期末)粗细均匀的导体棒ab悬挂在两根相同的轻质弹簧下，ab恰好在水平位置，如图9所示.已知ab的质量m＝2 g，ab的长度L＝20 cm，沿水平方向与ab垂直的匀强磁场的磁感应强度B＝0.1 T，电池的电动势为12 V，电路总电阻为12 Ω.当开关闭合时
A.导体棒ab所受的安培力方向竖直向上B.能使两根弹簧恰好处于自然状态C.导体棒ab所受的安培力大小为0.02 ND.若系统重新平衡后，两弹簧的伸长量均与闭合开关　前相比改变了0.5 cm，则弹簧的劲度系数为5 N/m
解析　当开关闭合时，由左手定则可知，导体棒ab所受的安培力方向竖直向下，弹簧处于拉伸状态，选项A、B错误；
则ab所受的安培力大小为F安＝BIL＝0.1×1×0.2 N＝0.02 N，选项C正确；
10.(2020·内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区高考模拟)吊兰是常养的盆栽植物之一，如图10所示是悬挂的吊兰盆栽，四条等长的轻绳与竖直方向夹角均为30°，花盆总质量为2 kg，取g＝10 m/s2，则每根绳的弹力大小为A.5 N 　 B. N C.10 N D.20 N
解析　根据对称性可知，每根绳的拉力大小相等，设每根绳的拉力大小为F.在竖直方向，由平衡条件得：4Fcs 30°＝mg，
11.(多选)(2020·百校联盟必刷卷三)如图11所示，光滑圆环固定在竖直面内，一个小球套在环上，用穿过圆环顶端光滑小孔的细线连接，现用水平力F拉细线，使小球缓慢沿圆环向上运动，此过程中圆环对小球的弹力大小为FN，则在运动过程中A.F增大 B.F减小C.FN不变 D.FN增大
解析　小球沿圆环缓慢上移，对小球进行受力分析，小球受重力G、F、FN三个力，满足受力平衡.作出受力分析图如图所示；由图可知△OAB∽△GFNF，即：
小球沿圆环缓慢上移时，半径不变，重力G不变，AB长度减小，故F减小，FN不变，故选B、C.
12.如图12，滑块A置于水平地面上，滑块B在一水平力作用下紧靠滑块A(A、B接触面竖直)，此时A恰好不滑动，B刚好不下滑.已知A与B间的动摩擦因数为μ1，A与地面间的动摩擦因数为μ2，最大静摩擦力等于滑动摩擦力.A与B的质量之比为
解析　对滑块A、B整体在水平方向上有F＝μ2(mA＋mB)g，对滑块B在竖直方向上有μ1F＝mBg，
13.(多选)(2020·广东肇庆市第二次统考)如图13所示，斜面体置于粗糙水平地面上，斜面体上方水平固定一根光滑直杆，直杆上套有一个滑块.滑块连接一根细线，细线的另一端连接一个置于斜面上的光滑小球.最初斜面体与小球都保持静止，现对滑块施加水平向右的外力使其缓慢向右滑动至A点，如果整个过程斜面体保持静止，小球未滑离斜面，滑块滑动到A点时细线恰好平行于斜面，则下列说法正确的是A.斜面对小球的支持力逐渐减小B.细线对小球的拉力逐渐减小C.滑块受到的水平向右的外力逐渐增大D.水平地面对斜面体的支持力逐渐减小
解析　以小球为研究对象，利用图解法可知，斜面对小球的支持力逐渐增大，细线对小球的拉力减小，故选项A错误，B正确；以滑块为研究对象，水平拉力F等于细线拉力的水平分力，细线拉力的水平分力逐渐增大，故水平力F逐渐增大，选项C正确；以斜面体为研究对象，由于斜面与小球间弹力逐渐增大，斜面受到的压力也逐渐增大，故水平地面对斜面体的支持力逐渐增大，选项D错误.
14.(多选)如图14所示装置，两根细绳拴住一小球，保持两细绳间的夹角θ＝120°不变，若把整个装置在纸面内顺时针缓慢转过90°，则在转动过程中，CA绳的拉力F1、CB绳的拉力F2的大小变化情况是A.F1先变小后变大B.F1先变大后变小C.F2一直变小D.F2最终变为零
解析　画小球的受力分析图，构建力的三角形，由于这个三角形中重力不变，另两个力间的夹角(180°－θ)保持不变，这类似于圆周角与对应弦长的关系，作初始三角形的外接圆(任意两边的中垂线交点即外接圆圆心)，
然后让另两个力的交点在圆周上按F1、F2的方向变化规律滑动，力的三角形的外接圆正好是以初态时的F2为直径的圆周，知F1先变大后变小，F2一直变小，最终CA沿竖直方向，此时F1＝mg，F2变为零，B、C、D正确，A错误.
15.(多选)(2020·湖北荆州市高三上学期质量检测)如图15所示，橡皮筋的一端固定在O点，另一端拴一个物体，O点的正下方A处有一垂直于纸面的光滑细杆，OA为橡皮筋的自然长度.已知橡皮筋的弹力与伸长量成正比，现用水平拉力F使物体在粗糙的水平地面上从B点沿水平方向匀速向右运动至C点，已知运动过程中橡皮筋处于弹性限度内且物体对水平地面有压力，下列说法正确的是A.物体所受水平地面的摩擦力保持不变B.物体所受水平地面的支持力变小C.水平拉力F逐渐增大D.物体所受的合力逐渐增大
解析　设开始时A离物体上表面的高度为L，设某一时刻橡皮筋与竖直方向的夹角为θ，
其竖直向上的分力：Fy＝FTcs θ＝kL，故物体所受水平地面的支持力大小为FN＝mg－kL，所以物体所受水平地面的支持力保持不变；又因为Ff＝μFN，所以物体所受水平地面的摩擦力也保持不变，故A正确，B错误；