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2019年高考物理一輪復(fù)習(xí) 2.1 重力 彈力 摩擦力
考綱展示
熱點(diǎn)視角
1.滑動(dòng)摩擦力、動(dòng)摩擦因數(shù)、靜摩擦力 Ⅰ
2.形變、彈性、胡克定律 Ⅰ
3.矢量和標(biāo)量 Ⅰ
4.力的合成和分解 Ⅱ
5.共點(diǎn)力的平衡 Ⅱ
實(shí)驗(yàn)二:探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)三:驗(yàn)證力的平行四邊形定則
1.本章內(nèi)容主要包括重力、彈力、摩擦力、力的合成與分解、物體的平衡等知識(shí).高考對本章知識(shí)的考查通常以選擇題的形式出現(xiàn),對理解能力要求較高.
2.高考對本章考查頻率較高的是摩擦力和物體的平衡兩知識(shí)點(diǎn),常與牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、能量守恒定律相結(jié)合,有時(shí)還與電場及磁場中的帶電體的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合,題目難度中等.
3.本章知識(shí)還可以以現(xiàn)實(shí)生活中的現(xiàn)象為背景,或以高科技為背景考查一些綜合性問題,這類問題是今后高考出題的方向.
第一節(jié) 重力 彈力 摩擦力
一、力
1.力的概念:物體與物體之間的相互作用.
2.力的作用效果
兩類效果
二、重力
1.產(chǎn)生:由于地球的吸引而使物體受到的力.
2.大?。篏=mg.
3.方向:總是豎直向下.
4.重心:因?yàn)槲矬w各部分都受重力的作用,從效果上看,可以認(rèn)為各部分受到的重力作用集中于一點(diǎn),這一點(diǎn)叫做物體的重心.
特別提示:(1)重力的方向不一定指向地心.
(2)并不是只有重心處才受到重力的作用.
三、彈力
1.彈力
(1)定義:發(fā)生彈性形變的物體由于要恢復(fù)原狀,對與它接觸的物體產(chǎn)生力的作用.
(2)產(chǎn)生的條件
①兩物體相互接觸;②發(fā)生彈性形變.
(3)方向:與物體形變方向相反.
特別提示:產(chǎn)生彈力的兩個(gè)物體一定接觸,但兩個(gè)接觸的物體之間不一定產(chǎn)生彈力.
2.胡克定律
(1)內(nèi)容:彈簧發(fā)生彈性形變時(shí),彈簧的彈力的大小F跟彈簧伸長(或縮短)的長度x成正比.
(2)表達(dá)式:F=kx.
①k是彈簧的勁度系數(shù),單位為N/m;k的大小由彈簧自身性質(zhì)決定.
②x是彈簧長度的變化量,不是彈簧形變以后的長度.
四、摩擦力
1.產(chǎn)生:相互接觸且發(fā)生形變的粗糙物體間,有相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢時(shí),在接觸面上所受的阻礙相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢的力.
2.產(chǎn)生條件:接觸面粗糙;接觸面間有彈力;物體間有相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢.
3.大?。夯瑒?dòng)摩擦力f=μN(yùn),靜摩擦力:0≤f≤fmax.
4.方向:與相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反.
5.作用效果:阻礙物體間的相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢.
1.關(guān)于力的概念,下列說法正確的是( )
A.一個(gè)受力物體可能受到兩個(gè)施力物體的作用力
B.保持靜止不動(dòng)的物體,一定不受力的作用
C.只有相互接觸的物體之間才可能存在力的作用
D.一個(gè)受力物體可以不對其他物體施力
2.下列關(guān)于重力的說法中正確的是( )
A.物體只有靜止時(shí)才受重力作用
B.重力的方向總是指向地心
C.地面上的物體在赤道上受的重力最小
D.物體掛在彈簧秤下,彈簧秤的示數(shù)一定等于物體的重力
3-1.在下圖中,a、b(a、b均處于靜止?fàn)顟B(tài))間一定有彈力的是( )
3-2.一根輕質(zhì)彈簧,當(dāng)它上端固定、下端懸掛重為G的物體時(shí),長度為L1;當(dāng)它下端固定在水平地面上,上端壓一重為G的物體時(shí),其長度為L2,則它的勁度系數(shù)是( )
A. B.
C. D.
4.質(zhì)量為m的物體在水平面上,在大小相等、互相垂直的水平力F1和F2的作用下,從靜止開始沿水平面運(yùn)動(dòng),如圖所示,若物體與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,則物體( )
A.在F1的反方向上受到f1=μmg的摩擦力
B.在F2的反方向上受到f2=μmg的摩擦力
C.在F1、F2合力的反方向上受到的摩擦力為f=μmg
D.在F1、F2合力的反方向上受到的摩擦力為f=μmg
彈力的分析與計(jì)算
1.彈力有無的判斷方法
(1)條件法:根據(jù)物體是否直接接觸并發(fā)生彈性形變來判斷是否存在彈力.此方法多用來判斷形變較明顯的情況.
(2)假設(shè)法:對形變不明顯的情況,可假設(shè)兩個(gè)物體間彈力不存在,看物體能否保持原有的狀態(tài),若運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變,則此處不存在彈力;若運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變,則此處一定有彈力.
(3)狀態(tài)法:根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),利用牛頓第二定律或共點(diǎn)力平衡條件判斷彈力是否存在.
2.五種常見模型中彈力的方向
常見的彈力
彈力的方向
彈簧兩端的彈力
與彈簧中心軸線重合,指向彈簧恢復(fù)原狀的方向
輕繩的彈力
沿繩指向繩收縮的方向
面與面接觸的彈力
垂直于接觸面指向受力物體
點(diǎn)與面接觸的彈力
過接觸點(diǎn)垂直于接觸面(或接觸面的切面)而指向受力物體
桿的彈力
可能沿桿,也可能不沿桿,應(yīng)具體情況具體分析
3.計(jì)算彈力大小的三種方法
(1)根據(jù)胡克定律進(jìn)行求解.
(2)根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行求解.
(3)根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行求解.
(xx寧德模擬)如圖甲所示,輕桿OB可繞B點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng),另一端O點(diǎn)用細(xì)繩OA拉住,固定在左側(cè)墻壁上,質(zhì)量為m的重物用細(xì)繩OC懸掛在輕桿的O點(diǎn),OA與輕桿的夾角∠BOA=30.乙圖中水平輕桿OB一端固定在豎直墻壁上,另一端O裝有小滑輪,用一根繩跨過滑輪后懸掛一質(zhì)量為m的重物,圖中∠BOA=30,求:
(1)甲、乙兩圖的細(xì)繩OA拉力各是多大?
(2)甲圖中輕桿受到的彈力是多大?
(3)乙圖中輕桿對滑輪的作用力是多大?
[審題突破] (1)甲圖中的O點(diǎn)是死結(jié)還是活結(jié)?乙圖中的呢?
(2)甲圖中桿受到的力一定沿桿嗎?乙圖中呢?
[解析] (1)由于圖甲中的桿可繞B轉(zhuǎn)動(dòng),是轉(zhuǎn)軸桿(是“活桿”),故其受力方向沿桿方向,O點(diǎn)的受力情況如圖甲所示,則O點(diǎn)所受繩子OA的拉力FT1、桿的彈力N1的合力與物體的重力是大小相等、方向相反的,在直角三角形中可得,F(xiàn)T1=mg/sin 30=2mg;圖乙中是用一細(xì)繩跨過滑輪懸掛物體的,由于O點(diǎn)處是滑輪,它只是改變繩中力的方向,并未改變力的大小,且AOC是同一段繩子,而同一段繩上的力處處相等,故乙圖中繩子拉力為F′T1=F′T2=mg.
(2)由甲圖的受力的平行四邊形可知,甲圖中輕桿受的彈力為N′1=N1=mg/tan 30=mg.
(3)對乙圖中的滑輪受力分析,如圖乙所示,由于桿OB不可轉(zhuǎn)動(dòng),所以桿所受彈力的方向不一定沿OB方向.即桿對滑輪的作用力一定與兩段繩的合力大小相等,方向相反,由圖乙可得,F(xiàn)2=2mgcos 60=mg,則所求力N″2=N′2=F2=mg.
[答案] 見解析
[總結(jié)提升] 一般情況下,插入墻中的桿屬于固定桿(如釘子),彈力方向不一定沿桿.而用鉸鏈相連的桿屬于活動(dòng)桿,彈力方向一定沿桿.
1.在如圖所示的四幅圖中,AB、BC均為輕質(zhì)桿,各圖中桿的A、C端都通過鉸鏈與墻連接,兩桿都在B處由鉸鏈相連接.下列說法正確的是( )
A.圖中的AB桿可以用與之等長的輕繩代替的有甲、乙
B.圖中的AB桿可以用與之等長的輕繩代替的有甲、丙、丁
C.圖中的BC桿可以用與之等長的輕繩代替的有乙、丙
D.圖中的BC桿可以用與之等長的輕繩代替的有乙、丁
答案:B
摩擦力的分析與計(jì)算
計(jì)算摩擦力時(shí)首先要分清是靜摩擦力還是滑動(dòng)摩擦力.
1.滑動(dòng)摩擦力由公式F=μN(yùn)計(jì)算,應(yīng)用此公式時(shí)要注意以下兩點(diǎn):
(1)μ為動(dòng)摩擦因數(shù),其大小與接觸面的材料、表面的粗糙程度有關(guān);N為兩接觸面間的正壓力,其大小不一定等于物體的重力.
(2)滑動(dòng)摩擦力的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān),與接觸面積的大小無關(guān).
2.靜摩擦力的計(jì)算
(1)它的大小和方向都跟產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)趨勢的力密切相關(guān),跟接觸面相互擠壓力N無直接關(guān)系,因此它具有大小、方向的可變性,變化性強(qiáng)是它的特點(diǎn),對具體問題,要具體分析研究對象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài), 根據(jù)物體所處的狀態(tài)(平衡、加速等),由力的平衡條件或牛頓運(yùn)動(dòng)定律求解.
(2)最大靜摩擦力fmax:是物體將要發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)這一臨界狀態(tài)時(shí)的摩擦力.它的數(shù)值與N成正比,在N不變的情況下,fmax比滑動(dòng)摩擦力稍大些,通常認(rèn)為二者相等,而靜摩擦力可在0~fmax間變化.
如圖所示,人重600 N,木塊A重400 N,人與木塊、木塊與水平面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為0.2.現(xiàn)人用水平力拉繩,使他與木塊一起向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),滑輪摩擦不計(jì),求:
(1)人對繩的拉力大?。?
(2)人腳對A的摩擦力的大小和方向.
[審題突破] 人和木塊一起做勻速直線運(yùn)動(dòng),分析受力時(shí)能不能視為一個(gè)整體?求人腳對A的摩擦力時(shí)二者還能視為一個(gè)整體嗎?
[解析] 設(shè)繩子的拉力為FT,木塊與地面間的摩擦力為fA.
(1)取人和木塊為整體,并對其進(jìn)行受力分析,如圖甲所示,由題意可知
fA=μ(mA+m人)g=200 N.
由于系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),故
2FT=fA
所以FT=100 N.
乙
(2)取人為研究對象,對其進(jìn)行受力分析,如圖乙所示.
由于人處于平衡狀態(tài),故
FT=f人=100 N
由于人與木塊A處于相對靜止?fàn)顟B(tài),故人與木塊A之間的摩擦力為靜摩擦力.由牛頓第三定律可知人腳對木塊A的摩擦力方向水平向右,大小為100 N.
[答案] (1)100 N (2)100 N 方向水平向右
[規(guī)律總結(jié)] (1)在分析兩個(gè)或兩個(gè)以上物體間的相互作用時(shí),一般采用整體法與隔離法進(jìn)行分析.
(2)受靜摩擦力作用的物體不一定是靜止的,受滑動(dòng)摩擦力作用的物體不一定是運(yùn)動(dòng)的.
(3)摩擦力阻礙的是物體間的相對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)趨勢,但摩擦力不一定阻礙物體的運(yùn)動(dòng),即摩擦力不一定是阻力.
2.如圖所示,A、B、C三個(gè)物體質(zhì)量相等,它們與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同.三個(gè)物體隨傳送帶一起勻速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向如圖中箭頭所示.則下列說法錯(cuò)誤的是( )
A.A物體受到的摩擦力為零
B.三個(gè)物體只有A物體受到的摩擦力為零
C.B、C受到的摩擦力大小相等,方向相同
D.B、C受到的摩擦力大小相等,方向相反
解析:選D.A物體與傳送帶一起勻速運(yùn)動(dòng),沒有發(fā)生相對滑動(dòng),也沒有相對運(yùn)動(dòng)趨勢,所以A物體不受摩擦力,選項(xiàng)A正確;對B、C物體進(jìn)行受力分析,可知B、C所受的靜摩擦力大小均為mgsin θ,方向均沿傳送帶向上,選項(xiàng)B、C正確,D錯(cuò)誤.
3. (原創(chuàng)題)如圖所示,斜面C固定在水平地面上,一斜劈形物體B放在斜面上,小物塊A放在斜劈形物體B的水平面上,在不為零的水平力F作用下,物體A與B均保持靜止.則下面說法錯(cuò)誤的是( )
A.斜面對物體B的摩擦力方向可能沿斜面向下
B.斜面對物體B可能沒有摩擦力
C.斜面對物體B的摩擦力方向可能沿斜面向上
D.物體B可能受到三個(gè)力
解析:選D.先對A、B整體分析,設(shè)A、B總質(zhì)量為M,如果Fcos θ>Mgsin θ,則受到沿斜面向下的靜摩擦力,選項(xiàng)A正確;如果Fcos θ=Mgsin θ,則不受摩擦力,B正確;如果Fcos θ
G,做減速運(yùn)動(dòng),直到靜止.物體靜止后,摩擦力變?yōu)殪o摩擦力,f=G,故正確選項(xiàng)為B.
[答案] B
一 高考題組
1.(xx高考海南卷改編)下列關(guān)于摩擦力的說法,正確的是( )
①作用在物體上的滑動(dòng)摩擦力只能使物體減速,不可能使物體加速?、谧饔迷谖矬w上的靜摩擦力只能使物體加速,不可能使物體減速 ③作用在物體上的滑動(dòng)摩擦力既可能使物體減速,也可能使物體加速 ④作用在物體上的靜摩擦力既可能使物體加速,也可能使物體減速
A.①② B.②③
C.③④ D.①④
解析:選C.摩擦力總是阻礙物體的相對運(yùn)動(dòng)(或相對運(yùn)動(dòng)趨勢),而物體間的相對運(yùn)動(dòng)與物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)無關(guān).當(dāng)摩擦力的方向與物體的運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí),摩擦力是動(dòng)力,方向相反時(shí)為阻力,故③、④正確.
2.(xx高考新課標(biāo)全國卷)一根輕質(zhì)彈簧一端固定,用大小為F1的力壓彈簧的另一端,平衡時(shí)長度為l1;改用大小為F2的力拉彈簧,平衡時(shí)長度為l2,彈簧的拉伸或壓縮均在彈性限度內(nèi),該彈簧的勁度系數(shù)為( )
A. B.
C. D.
解析:選C.由胡克定律可知:k==,得k=,故C正確.
3.(xx高考廣東卷改編)如圖,物體P靜止于固定的斜面上,P的上表面水平.現(xiàn)把物體Q輕輕地疊放在P上,則下列說法錯(cuò)誤的是( )
A.P向下滑動(dòng)
B.P靜止不動(dòng)
C.P所受的合外力不變
D.P與斜面間的靜摩擦力不變
解析:選A.物體P處于靜止?fàn)顟B(tài),把物體Q輕輕地疊放在P上時(shí),P、Q仍處于靜止?fàn)顟B(tài).根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件解決問題.
設(shè)斜面傾角為θ,P、Q的質(zhì)量分別為M、m,因物體P靜止于固定的斜面上,則動(dòng)摩擦因數(shù)μ≥tan θ,所受合外力F1=0,靜摩擦力f1=Mgsin θ,把物體Q輕輕地疊放在P上,選整體為研究對象,則(M+m)gsin θ≤μ(M+m)gcos θ,故P、Q仍處于靜止?fàn)顟B(tài).P所受的合外力F2=0,即F1=F2,P與斜面間的靜摩擦力f2=(M+m)gsin θ>f1.故選項(xiàng)B、C、D正確,選項(xiàng)A錯(cuò)誤.如果將P、Q兩物體視為一個(gè)整體,則更容易得正確的選項(xiàng)為B、C、D.
二 模擬題組
4.(xx唐山模擬)如圖所示,A是一質(zhì)量為M的盒子,B的質(zhì)量為,用細(xì)繩相連,跨過光滑的定滑輪,A置于傾角為α=30的斜面上,B懸于斜面之外,處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)在向A中緩慢地加入沙子,整個(gè)系統(tǒng)始終保持靜止,則在加入沙子的過程中( )
A.繩子的拉力逐漸增大
B.A對斜面的壓力逐漸增大
C.A所受的摩擦力逐漸增大
D.A所受的摩擦力先增大后減小
解析:選B.因?yàn)橄到y(tǒng)處于平衡狀態(tài),所以繩的拉力始終等于B的重力,故A錯(cuò)誤.盒子A對斜面的壓力等于其重力沿垂直于斜面的分力,即N=Mgcos α,加沙的過程中,N逐漸增大,B正確.開始時(shí),A的重力沿斜面的分力Mgsin αN2>N3,f1>f2>f3
B.N1=N2=N3,f1=f2=f3
C.N1>N2>N3,f1=f3N2>N3,f1=f2=f3
解析:選C.由題意可知三個(gè)木塊與水平面間的彈力大小分別為重力加上F的豎直分量、重力、重力減去F的豎直分量,靜摩擦力的大小分別為F的水平分量、F、F的水平分量,所以答案為C.
7.(xx西安交大附中月考)如圖所示,質(zhì)量為M的楔形物A靜置在水平地面上,其斜面的傾角為θ,斜面上有一質(zhì)量為m的小物塊B,B與斜面之間存在摩擦.用恒力F沿斜面向上拉B,使之勻速上滑.在B運(yùn)動(dòng)的過程中,楔形物塊A始終保持靜止.下列關(guān)于A、B物體相互間作用力的描述正確的是( )
A.B給A的作用力大小為mg-F
B.B給A的摩擦力大小為F
C.地面受到的摩擦力大小為Fcos θ
D.地面受到的壓力大小為Mg+mg
解析:選C.因?yàn)锳、B的加速度均為0,因此可將其看做一個(gè)整體,對整體進(jìn)行受力分析并運(yùn)用平衡條件可得,地面對A的摩擦力大小為Fcos θ,地面對A的支持力為Mg+mg-Fsin θ,根據(jù)牛頓第三定律可知,C正確,D錯(cuò)誤;隔離B分析可知,A、B錯(cuò)誤.
8.一個(gè)長度為L的輕彈簧,將其上端固定,下端掛一個(gè)質(zhì)量為m的小球時(shí),彈簧的總長度變?yōu)?L.現(xiàn)將兩個(gè)這樣的彈簧按如圖所示方式連接,A、B兩小球的質(zhì)量均為m,則兩小球平衡時(shí),B小球距懸點(diǎn)O的距離為(不考慮小球的大小)( )
A.3L B.4L
C.5L D.6L
答案:C
9.物塊A、B的質(zhì)量分別為m和2m,用輕彈簧連接后放在光滑的水平面上.對B施加向右的水平拉力F,穩(wěn)定后A、B相對靜止在水平面上運(yùn)動(dòng),此時(shí)彈簧長度為l1;若撤去拉力F,換成大小仍為F的水平推力向右推A,穩(wěn)定后A、B相對靜止在水平面上運(yùn)動(dòng),彈簧長度為l2.則下列判斷正確的是( )
A.彈簧的原長為
B.兩種情況下穩(wěn)定時(shí)彈簧的形變量相等
C.兩種情況下穩(wěn)定時(shí)兩物塊的加速度不相等
D.彈簧的勁度系數(shù)為
解析:選D.由題意可得兩次物塊的加速度大小相等為a=,方向水平向右,所以C選項(xiàng)錯(cuò)誤.設(shè)彈簧的原長為l0,彈簧的勁度系數(shù)為k,則有k(l1-l0)=ma,k(l0-l2)=2ma,解得l0=,k=,所以A、B選項(xiàng)錯(cuò)誤,D項(xiàng)正確.
10.如圖所示,一物塊置于水平地面上,當(dāng)用與水平方向成60角的力F1拉物塊時(shí),物塊做勻速直線運(yùn)動(dòng);當(dāng)改用與水平方向成30角的力F2推物塊時(shí),物塊仍做勻速直線運(yùn)動(dòng).若F1和F2的大小相等,則物塊與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為( )
A.-1 B.2-
C.- D.1-
解析:選B.當(dāng)用F1拉物塊時(shí),由平衡條件可知F1cos 60=μ(mg-F1sin 60);當(dāng)用F2推物塊時(shí),有F2cos 30=μ(mg+F2sin 30),又F1=F2,求得μ==2-,B正確.
11.(原創(chuàng)題)如圖所示,斜面體A上的物塊P,用平行于斜面體的輕彈簧拴接在擋板B上,在物塊P上施加水平向右的推力F,整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài),下列說法正確的是( )
A.物塊P與斜面之間一定存在摩擦力
B.輕彈簧一定被拉長
C.地面對斜面體A一定存在摩擦力
D.若增大推力F,則彈簧彈力一定減小
解析:選C.受力分析可知若物塊P受到的重力、推力和斜面體A對它的彈力的合力為零,則無摩擦力,A錯(cuò)誤;受力分析可知彈簧處于拉伸或者壓縮狀態(tài)物塊P均可以保持靜止,B錯(cuò)誤;由整體法可知地面對斜面體A的靜摩擦力平衡了推力F,C正確;增大推力F若物塊保持靜止則彈簧的彈力不變,D錯(cuò)誤.
12.(xx高考浙江卷)如圖所示,與水平面夾角為30 的固定斜面上有一質(zhì)量為1.0 kg的物體.細(xì)繩的一端與物體相連,另一端經(jīng)摩擦不計(jì)的定滑輪與固定的彈簧測力計(jì)相連.物體靜止在斜面上,彈簧測力計(jì)的示數(shù)為4.9 N.關(guān)于物體受力的判斷(取g=9.8 m/s2),下列說法正確的是( )
A.斜面對物體的摩擦力大小為零
B.斜面對物體的摩擦力大小為4.9 N,方向沿斜面向上
C.斜面對物體的支持力大小為4.9 N,方向豎直向上
D.斜面對物體的支持力大小為4.9 N,方向垂直斜面向上
解析:選A.假設(shè)物體受到斜面的摩擦力,方向沿斜面向下,由題可知繩子對物體的拉力等于彈簧測力計(jì)的示數(shù),即F=4.9 N,則物體受到四個(gè)力的作用:重力G、斜面對物體的支持力N、繩子的拉力F和斜面對物體的摩擦力f.作出其受力情況如圖所示,根據(jù)平衡條件可得,F(xiàn)=f+Gx,得f=F-mgsin 30=0,故可知A正確,B錯(cuò)誤;在垂直斜面的方向上有N=Gy=mgcos 30=4.9 N,所以C、D均錯(cuò)誤.
☆13.(xx泉州高三檢測)如圖所示,質(zhì)量為m的物體用細(xì)繩拴住放在水平粗糙的傳送帶上,物體與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,當(dāng)傳送帶分別以v1、v2的速度做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)(v1<v2),繩中的拉力分別為F1、F2,則下列說法正確的是( )
A.物體受到的摩擦力f1<f2
B.物體所受摩擦力方向向右
C.F1=F2
D.傳送帶速度足夠大時(shí),物體受到的摩擦力可為0
解析:選C.物體的受力如圖所示,滑動(dòng)摩擦力與繩的拉力的水平分量平衡,因此方向向左,B錯(cuò);設(shè)繩與水平方向成θ角,則Fcos θ-μN(yùn)=0,N+Fsin θ-mg=0,解得F=,恒定不變,C正確;滑動(dòng)摩擦力f=Fcos θ=也不變,A、D錯(cuò).
☆14.如圖,建筑工人用恒力F推運(yùn)料車在水平地面上勻速前進(jìn),F(xiàn)與水平方向成30角,運(yùn)料車和材料的總重量為G,下列說法正確的是( )
A.建筑工人受地面摩擦力方向水平向左
B.建筑工人受地面摩擦力大小為G
C.運(yùn)料車受到地面的摩擦力方向水平向右
D.運(yùn)料車對地面壓力為+G
解析:選D.以工人為研究對象,車對人的力的水平分量方向向左,與之平衡的摩擦力水平向右,其大小為F,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤.以運(yùn)料車為研究對象,在豎直方向上,推力向下的分量和重力G與地面對車的支持力相平衡.又依據(jù)牛頓第三定律,作用力與反作用力等大反向,所以選項(xiàng)D正確.而在水平方向上,運(yùn)料車受到地面的摩擦力與推力F的水平分量平衡,摩擦力方向水平向左,所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤.
第二節(jié) 力的合成與分解
一、力的合成
1.合力與分力
(1)定義:如果一個(gè)力產(chǎn)生的效果跟幾個(gè)力共同作用的效果相同,這一個(gè)力就叫那幾個(gè)力的合力,那幾個(gè)力就叫這個(gè)力的分力.
(2)關(guān)系:合力和分力是一種等效替代關(guān)系.
2.共點(diǎn)力:作用在物體的同一點(diǎn),或作用線的延長線交于一點(diǎn)的力.
3.力的合成:求幾個(gè)力的合力的過程.
4.力的運(yùn)算法則
(1)三角形定則:把兩個(gè)矢量首尾相連從而求出合矢量的方法.(如圖所示)
(2)平行四邊形定則:求互成角度的兩個(gè)力的合力,可以用表示這兩個(gè)力的線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個(gè)鄰邊之間的對角線就表示合力的大小和方向.
二、力的分解
1.概念:求一個(gè)力的分力的過程.
2.遵循的法則:平行四邊形定則或三角形定則.
3.分解的方法
(1)按力產(chǎn)生的實(shí)際效果進(jìn)行分解.
(2)正交分解.
三、矢量和標(biāo)量
1.矢量
既有大小又有方向的物理量,相加時(shí)遵循平行四邊形定則.
2.標(biāo)量
只有大小沒有方向的物理量,求和時(shí)按算術(shù)法則相加.,1-1.(xx高考上海卷改編)兩個(gè)共點(diǎn)力F1、F2大小不同,它們的合力大小為F,則( )
A.F1、F2同時(shí)增大一倍,F(xiàn)也增大一倍
B.F1、F2同時(shí)增加10 N,F(xiàn)也增加10 N
C.F1增加10 N,F(xiàn)2減少10 N,F(xiàn)一定不變
D.若F1、F2中的一個(gè)增大,F(xiàn)一定增大
1-2.如圖所示,F(xiàn)1、F2、F3恰好構(gòu)成封閉的直角三角形,這三個(gè)力的合力最大的是( )
2.將物體所受重力按力的效果進(jìn)行分解,下列圖中錯(cuò)誤的是( )
3.下列各組物理量中全部是矢量的是( )
A.位移、速度、加速度、力
B.位移、長度、速度、電流
C.力、位移、速率、加速度
D.速度、加速度、力、電流
力的合成方法及合力范圍的確定
1.共點(diǎn)力合成的方法
(1)作圖法
(2)計(jì)算法:根據(jù)平行四邊形定則作出示意圖,然后利用解三角形的方法求出合力.
2.合力范圍的確定
(1)兩個(gè)共點(diǎn)力的合力范圍:|F1-F2|≤F≤F1+F2.
(2)三個(gè)共面共點(diǎn)力的合力范圍
①最大值:三個(gè)力同向時(shí),其合力最大,為Fmax=F1+F2+F3.
②最小值:以這三個(gè)力的大小為邊,如果能組成封閉的三角形,則其合力的最小值為零,即Fmin=0;如不能,則合力的最小值的大小等于最大的一個(gè)力減去另外兩個(gè)力和的絕對值,F(xiàn)min=|F1-(F2+F3)|(F1為三個(gè)力中最大的力).
特別提醒:(1)兩個(gè)分力一定時(shí),夾角θ越大,合力越?。?
(2)合力一定,兩等大分力的夾角越大,兩分力越大.
(3)合力可以大于分力,等于分力,也可以小于分力的大小.
某物體同時(shí)受到同一平面內(nèi)的三個(gè)共點(diǎn)力作用,在如圖所示的四種情況中(坐標(biāo)紙中每格的邊長表示1 N大小的力),該物體所受的合外力大小正確的是( )
A.甲圖中物體所受的合外力大小等于4 N
B.乙圖中物體所受的合外力大小等于2 N
C.丙圖中物體所受的合外力大小等于0
D.丁圖中物體所受的合外力等于0
[思路點(diǎn)撥] 解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn):
(1)各分力之間關(guān)系特殊的,可直接根據(jù)特殊關(guān)系求合力.
(2)各分力之間關(guān)系不明顯的,可采用正交分解法求合力.
[解析] 甲圖中,先將F1與F3合成,然后再由勾股定理求得合力大小等于5 N,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;乙圖中,先將F1與F3正交分解,再合成,求得合力大小等于5 N,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;丙圖中,可將F3正交分解,求得合力大小等于6 N,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;根據(jù)三角形定則,丁圖中合力等于0,選項(xiàng)D正確.
[答案] D
[名師歸納] (1)力的大小和方向一定時(shí),其合力也一定.
(2)作圖法求合力,需嚴(yán)格用同一標(biāo)度作出力的圖示,作出規(guī)范的平行四邊形.
(3)解析法求合力,只需作出力的示意圖,對平行四邊形的作圖要求也不太嚴(yán)格,重點(diǎn)是利用數(shù)學(xué)方法求解.
1.如圖,用相同的彈簧秤將同一個(gè)重物m,分別按甲、乙、丙三種方式懸掛起來,讀數(shù)分別是F1、F2、F3、F4,已知θ=30,則有( )
A.F4最大 B.F3=F2
C.F2最大 D.F1比其他各讀數(shù)都小
解析:選C.由平衡條件可知:F2cos θ=mg,2F3cos θ=mg,F(xiàn)4=mg,F(xiàn)1=mgtan θ,因此可知選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤,正確選項(xiàng)為C.
力的兩種分解方法
1.效果分解
(1)把力按實(shí)際效果分解的一般思路
(2)力的效果分解的實(shí)例分析
重力分解為使物體沿斜面向下的力F1=mgsin α和使物體壓緊斜面的力F2=mgcos α.
重力分解為使球壓緊擋板的分力F1=mgtan α和使球壓緊斜面的分力F2=
重力分解為使球壓緊豎直墻壁的分力F1=mgtan α和使球拉緊懸線的分力F2=.
小球重力分解為使物體拉緊AO線的分力F2和使物體拉緊BO線的分力F1,大小都為F1=F2=
2.正交分解法
(1)定義:將已知力按互相垂直的兩個(gè)方向進(jìn)行分解的方法.
(2)建立坐標(biāo)軸的原則:一般選共點(diǎn)力的作用點(diǎn)為原點(diǎn),在靜力學(xué)中,以少分解力和容易分解力為原則(即盡量多的力在坐標(biāo)軸上);在動(dòng)力學(xué)中,以加速度方向和垂直加速度方向?yàn)樽鴺?biāo)軸建立坐標(biāo)系.
(3)方法:物體受到多個(gè)力作用F1、F2、F3…,求合力F時(shí),可把各力沿相互垂直的x軸、y軸分解.
x軸上的合力:
Fx=Fx1+Fx2+Fx3+…
y軸上的合力:Fy=Fy1+Fy2+Fy3+…
合力大?。篎=
合力方向:與x軸夾角為θ,則
tan θ=.
(xx廈門高三檢測)在科學(xué)研究中,可以用風(fēng)力儀直接測量風(fēng)力的大小,其原理如圖所示.儀器中一根輕質(zhì)金屬絲下懸掛著一個(gè)金屬球,無風(fēng)時(shí),金屬絲豎直下垂;當(dāng)受到沿水平方向吹來的風(fēng)時(shí),金屬絲偏離豎直方向一個(gè)角度.風(fēng)力越大,偏角越大.通過傳感器,就可以根據(jù)偏角的大小測出風(fēng)力的大小.求風(fēng)力大小F跟金屬球的質(zhì)量m、偏角θ之間的關(guān)系.
[思路點(diǎn)撥] 根據(jù)力的實(shí)際效果或正交分解法求解.
[解析] 法一:(力的效果分解法) 重力有兩個(gè)作用效果:使金屬球抵抗風(fēng)的吹力和使金屬絲拉緊,所以可以將重力沿水平方向和金屬絲的方向進(jìn)行分解,如圖甲所示,由幾何關(guān)系可得F=F′=mgtan θ.
法二:(正交分解法) 以金屬球?yàn)樽鴺?biāo)原點(diǎn),取水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸,建立坐標(biāo)系,如圖乙所示.
根據(jù)平衡條件有
Fx合=Tsin θ-F=0
Fy合=Tcos θ-mg=0
解得F=mgtan θ.
[答案] F=mgtan θ
[名師歸納] 解答力的分解問題時(shí)應(yīng)注意的問題
(1)選取原則
①選用哪一種方法進(jìn)行力的分解要視情況而定,一般來說,當(dāng)物體受到三個(gè)或三個(gè)以下的力時(shí),常利用三角形法或按實(shí)際效果進(jìn)行分解,若這三個(gè)力中,有兩個(gè)力互相垂直,可選用正交分解法.
②當(dāng)物體受到三個(gè)以上的力時(shí),常用正交分解法.
(2)正交分解的技巧:一般情況下,應(yīng)用正交分解法建立坐標(biāo)系時(shí),應(yīng)盡量使所求量(或未知量)“落”在坐標(biāo)軸上,這樣解方程較簡單.
2.(xx福建六校聯(lián)考)某壓榨機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示,其中B為固定鉸鏈,若在A鉸鏈處作用一垂直于壁的力F,則由于力F的作用,使滑塊C壓緊物體D,設(shè)C與D光滑接觸,桿的重力及滑塊C的重力不計(jì),圖中a=0.5 m,b=0.05 m,則物體D所受壓力的大小與力F的比值為( )
A.4 B.5
C.10 D.1
解析:
選B.按力F的作用效果沿AC、AB桿方向分解為圖甲所示的F1、F2,則F1=F2=,由幾何知識(shí)得tan θ==10,再按F1的作用效果將F1沿水平向左和豎直向下分解為圖乙所示的F3、F4,所以F4=F1sin θ,聯(lián)立得F4=5F,即物體D所受壓力大小與力F的比值為5,B對.
輔助圖法求解力的合成、分解問題
范例 (xx高考上海卷)已知兩個(gè)共點(diǎn)力的合力為50 N,分力F1的方向與合力F的方向成30角,分力F2的大小為30 N.則( )
A.F1的大小是唯一的 B.F2的方向是唯一的
C.F2有兩個(gè)可能的方向 D.F2可取任意方向
[解析] 作合力的圖示如圖,然后以合力F的末端為圓心、以F2的大小(30 N)為半徑畫圓弧,因?yàn)镕2=30 N>Fsin 30,所以圓弧與分力F1的作用線有兩個(gè)交點(diǎn),所以F2的方向和F1的大小就有兩種可能,因此C正確.
[答案] C
[總結(jié)提升] 對力分解的唯一性判斷、分力最小值的計(jì)算以及合力與分力夾角最大值的計(jì)算,當(dāng)力的大小不變方向改變時(shí),通常采取作圖法,優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡捷.
3.兩個(gè)共點(diǎn)力大小分別為F1=10 N,F(xiàn)2=5 N,兩力方向夾角可在0~180連續(xù)變化,求:合力與F1的最大夾角和此時(shí)合力的大?。?
解析:如圖所示,將力F2平移到力F1末端,則以F1末端為圓心、以F2大小為半徑畫圓,則從O點(diǎn)指向圓周上的任意一點(diǎn)的連線表示合力的大小和方向,由圖可知,過O點(diǎn)作圓的切線與F1的夾角最大,即sin θm==,θm=30,合力大小為:F=F1cos θm=10 N=5 N.
答案:30 5 N
對稱法解決非共面力問題
范例 如圖所示,置于水平地面的三腳架上固定著一質(zhì)量為m的照相機(jī),三腳架的三根輕質(zhì)支架等長,與豎直方向均成30角,則每根支架中承受的壓力大小為( )
A.mg B.mg
C.mg D.mg
[解析] 由題意可知此題中所研究的對象“照相機(jī)”受四個(gè)力作用處于平衡狀態(tài),其中“三根輕質(zhì)支架”的作用力與“重力”的作用線方向的夾角均為30,即三力等大對稱,所以由等大力的合成規(guī)律可得3Fcos 30=mg,解得F=mg,故D選項(xiàng)正確.
[答案] D
[總結(jié)提升] 本題考查的是力的合成,實(shí)際是合成特例的延伸,此類問題的求解一定要注意結(jié)構(gòu)對稱特點(diǎn)和合成特例的綜合應(yīng)用.此類考題還會(huì)進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)對稱上進(jìn)行衍生.衍生的形式多種多樣,即由平面等大二力合成衍生到平面多個(gè)對稱力合成,或衍生到空間多個(gè)對稱力合成.
4.跳傘運(yùn)動(dòng)員打開傘后經(jīng)過一段時(shí)間,將在空中保持勻速降落.已知運(yùn)動(dòng)員和他身上裝備的總重力為G1,圓頂形降落傘傘面的重力為G2,8條相同的拉線(拉線重量不計(jì))均勻分布在傘面邊緣上,每根拉線和豎直方向都成30角.那么每根拉線上的張力大小為( )
A. B.
C. D.
解析:選A.每根拉線和豎直方向都成30角,是空間對稱的,設(shè)每根拉線的張力大小為F,每根線張力的豎直分力為Fcos 30,由平衡條件得8Fcos 30=G1,解得F=G1,故A正確.
一 高考題組
1.(xx高考廣東卷)如圖為節(jié)日里懸掛燈籠的一種方式,A、B點(diǎn)等高,O為結(jié)點(diǎn),輕繩AO、BO長度相等,拉力分別為FA、FB,燈籠受到的重力為G.下列表述正確的是( )
A.FA一定小于G
B.FA與FB大小相等
C.FA與FB是一對平衡力
D.FA與FB大小之和等于G
解析:選B.由題意知,A、B兩點(diǎn)等高,且兩繩等長,故FA與FB大小相等,B選項(xiàng)正確.若兩繩夾角大于120,則FA=FB>G;若夾角小于120,則FA=FB<G;若夾角等于120,則FA=FB=G,故選項(xiàng)A、D錯(cuò).夾角為180時(shí),F(xiàn)A與FB才能成為一對平衡力,但這一情況不可能實(shí)現(xiàn),故C項(xiàng)錯(cuò).
2.(xx高考廣東卷)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.G和G
C.G和G D.G和G
解析:選B.根據(jù)對稱性知兩繩拉力大小相等,設(shè)為F,日光燈處于平衡狀態(tài),由2Fcos 45=G解得F=G,B項(xiàng)正確.
二 模擬題組
3.(xx龍巖高三檢測)如圖,三個(gè)大小相等的力F,作用于同一點(diǎn)O,則合力最小的是( )
解析:選C.根據(jù)矢量合成的平行四邊形定則可知,C選項(xiàng)的合力為零,即合力最小,C正確.
4.(xx北京東城區(qū)模擬)射箭是奧運(yùn)會(huì)比賽項(xiàng)目之一,如圖甲為我國著名選手張娟娟的射箭場景.已知弓的頂部跨度為l,弦均勻且彈性良好,其自由長度為l.發(fā)射時(shí)弦和箭可等效為圖乙的情景,假設(shè)弓的跨度保持不變,即箭在弦的正中間,弦夾在類似動(dòng)滑輪的附加裝置上,將箭發(fā)射出去.已知弦的勁度系數(shù)為k,發(fā)射箭時(shí)弦的最大長度為l(彈性限度內(nèi)),則箭被發(fā)射瞬間所受的最大彈力為(設(shè)弦的彈力滿足胡克定律)( )
A.kl B.kl
C.kl D.2kl
解析:選B.弓弦的張力F=k=kl,弓弦對箭的作用力F′=2Fcos 37=2kl=kl.
5.(xx福州三中模擬)如圖所示,用一根長為l的細(xì)繩一端固定在O點(diǎn),另一端懸掛質(zhì)量為m的小球A,為使細(xì)繩與豎直方向成30角且繃緊,小球A處于靜止,對小球施加的最小的力是( )
A.mg B.mg
C.mg D.mg
解析:選C.當(dāng)施加的力與OA垂直時(shí)最小,F(xiàn)min=mgsin 30=mg,C正確.
三 選做題
6.(xx昆明質(zhì)檢)如圖所示,三角形ABC三邊中點(diǎn)分別是D、E、F,在三角形內(nèi)任意取一點(diǎn)O,如果OE、DO、OF三個(gè)矢量代表三個(gè)力,那么這三個(gè)力的合力大小為( )
A.OA B.OB
C.OC D.DO
解析:選A.作如圖所示的輔助線,則由三角形的知識(shí)和幾何關(guān)系可得,在矢量△DOE中有+=,且有=.在矢量△OFA中有+=,即+=+=++=,所以正確選項(xiàng)為A.
一、單項(xiàng)選擇題
1.F1、F2是力F的兩個(gè)分力.若F=10 N,則下列不可能是F的兩個(gè)分力的是( )
A.F1=10 N,F(xiàn)2=10 N
B.F1=20 N,F(xiàn)2=20 N
C.F1=2 N,F(xiàn)2=6 N
D.F1=20 N,F(xiàn)2=30 N
答案:C
2.如圖所示,用輕繩AO和OB將重為G的重物懸掛在水平天花板和豎直墻壁之間處于靜止?fàn)顟B(tài),AO繩水平,OB繩與豎直方向的夾角為θ,則AO繩的拉力FA、OB繩的拉力FB的大小與G之間的關(guān)系為( )
A.FA=Gtan θ B.FA=
C.FB= D.FB=Gcos θ
解析:選A.結(jié)點(diǎn)O受到三個(gè)力作用FA、FB、FC,如圖所示,其中FA、FB的合力與FC等大反向,即F合=FC=G,則:
=tan θ,=cos θ
解得:FA=Gtan θ,F(xiàn)B=,故A正確.
3.(xx南平高三質(zhì)檢)物體同時(shí)受到同一平面內(nèi)的三個(gè)力的作用,下列幾組力的合力不可能為零的是( )
A.3 N,5 N,8 N B.5 N,2 N,3 N
C.1 N,5 N,10 N D.10 N,10 N,10 N
解析:選C.三個(gè)力合成,若前兩個(gè)力的合力可與第三個(gè)力大小相等,方向相反,就可以使這三個(gè)力合力為零,只要使第三個(gè)力在其他兩個(gè)力的合力范圍之內(nèi),就可能使合力為零,即第三個(gè)力F3滿足:|F1-F2|≤F3≤F1+F2.
4.(xx杭州二中高三質(zhì)檢)如圖所示,起重機(jī)將重為G的重物勻速吊起,此時(shí)四條鋼索與豎直方向的夾角均為60,則每根鋼索中彈力大小為( )
A. B.
C. D.
解析:選D.設(shè)每根鋼索的彈力大小為T,將重力分解如圖所示,則T=F1==,故D正確.
5.如圖所示,一條細(xì)繩跨過定滑輪連接物體A、B,A懸掛起來,B穿在一根豎直桿上,兩物體均保持靜止,不計(jì)繩與滑輪、B與豎直桿間的摩擦,已知繩與豎直桿間的夾角為θ,則物體A、B的質(zhì)量之比mA∶mB等于( )
A.cos θ∶1 B.1∶cos θ
C.tan θ∶1 D.1∶sin θ
解析:選B.由物體A平衡可知,繩中張力F=mAg,物體B平衡,豎直方向合力為零,則有Fcos θ=mBg,故得:mA∶mB=1∶cos θ,B正確.
6.如圖所示,固定在水平地面上的物體A,左側(cè)是圓弧面,右側(cè)是傾角為θ的斜面,一根輕繩跨過物體A頂點(diǎn)上的小滑輪,繩兩端分別系有質(zhì)量為m1、m2的小球,當(dāng)兩球靜止時(shí),小球m1與圓心連線跟水平方向的夾角也為θ,不計(jì)一切摩擦,圓弧面半徑遠(yuǎn)大于小球直徑,則m1、m2之間的關(guān)系是( )
A.m1=m2 B.m1=m2tan θ
C.m1=m2cot θ D.m1=m2cos θ
答案:B
7.如圖所示,光滑斜面傾角為30,輕繩一端通過兩個(gè)滑輪與A相連,另一端固定于天花板上,不計(jì)繩與滑輪的摩擦及滑輪的質(zhì)量.已知物塊A的質(zhì)量為m,連接A的輕繩與斜面平行,掛上物塊B后,滑輪兩邊輕繩的夾角為90,A、B恰保持靜止,則物塊B的質(zhì)量為( )
A.m B.m
C.m D.2m
解析:選A.先以A為研究對象,由A物塊受力及平衡條件可得繩中張力T=mgsin 30.再以動(dòng)滑輪為研究對象,分析其受力并由平衡條件有mBg=T,解得mB=,A正確.
8.如圖所示,將一根不可伸長、柔軟的輕繩兩端分別系于A、B兩點(diǎn)上,一物體用動(dòng)滑輪懸掛在繩子上,達(dá)到平衡時(shí),兩段繩子間的夾角為θ1,繩子張力為F1;將繩子一端由B點(diǎn)移動(dòng)到C點(diǎn),待整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí),兩段繩子間的夾角為θ2,繩子張力為F2;再將繩子一端由C點(diǎn)移至D點(diǎn),待整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí),兩段繩子間的夾角為θ3,繩子的張力為F3.不計(jì)摩擦,則( )
A.θ1=θ2=θ3 B.θ1<θ2<θ3
C.F1>F2>F3 D.F1=F2
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2019年高考物理一輪復(fù)習(xí)
2.1
重力
彈力
摩擦力
2019
年高
物理
一輪
復(fù)習(xí)
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