(全國(guó)通用)2018年高考物理二輪復(fù)習(xí) 專題一 力與運(yùn)動(dòng) 第1講 力與物體的平衡學(xué)案

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1、 第1講 力與物體的平衡 知識(shí)必備 1.彈力 彈力方向與接觸面垂直指向被支持或被擠壓物體。桿的彈力不一定沿桿。彈簧的彈力由胡克定律F=kx計(jì)算,一般物體間彈力大小按物體受力分析和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)求解。 2.摩擦力 方向:摩擦力的方向沿接觸面的切線方向,與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向相反。 大?。红o摩擦力的大小由物體受其他力力的情況運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定,大小0<F≤Fmax,具體值根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律或平衡條件求解?;瑒?dòng)摩擦力的大小由公式F=μFN求解。 4. 5.共點(diǎn)力的平衡 共點(diǎn)力的平衡條件是F合=0,平衡狀態(tài)是指物體處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。 備考策略 1.研究對(duì)

2、象的選取方法:(1)整體法 (2)隔離法 2.受力分析的順序 一般按照“一重、二彈、三摩擦,四其他”的程序,結(jié)合整體法與隔離法分析物體的受力情況。 3.處理平衡問題的基本思路 4.求解平衡問題的常用方法:二力平衡法、合成法、正交分解法、相似三角形法、正弦定理法、圖解法等。  力學(xué)中的平衡問題 【真題示例1 (2017·全國(guó)卷Ⅱ,16)如圖1,一物塊在水平拉力F的作用下沿水平桌面做勻速直線運(yùn)動(dòng)。若保持F的大小不變,而方向與水平面成60°角,物塊也恰好做勻速直線運(yùn)動(dòng)。物塊與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為(  ) 圖1 A.2- B. C. D. 解析 當(dāng)F水平時(shí),根據(jù)

3、平衡條件得F=μmg;當(dāng)保持F的大小不變,而方向與水平面成60°角時(shí),由平衡條件得Fcos 60°=μ(mg-Fsin 60°),聯(lián)立解得μ=,故選項(xiàng)C正確。 答案 C 【真題示例2】 (2017·全國(guó)卷Ⅲ,17)一根輕質(zhì)彈性繩的兩端分別固定在水平天花板上相距80 cm的兩點(diǎn)上,彈性繩的原長(zhǎng)也為80 cm。將一鉤碼掛在彈性繩的中點(diǎn),平衡時(shí)彈性繩的總長(zhǎng)度為100 cm;再將彈性繩的兩端緩慢移至天花板上的同一點(diǎn),則彈性繩的總長(zhǎng)度變?yōu)?彈性繩的伸長(zhǎng)始終處于彈性限度內(nèi))(  ) A.86 cm B.92 cm C.98 cm D.104 cm 解析 設(shè)彈性繩的勁度系數(shù)為k。掛鉤碼后,

4、彈性繩兩端點(diǎn)移動(dòng)前,左、右兩段繩的伸長(zhǎng)量ΔL==10 cm,兩段繩的彈力F=kΔL,對(duì)鉤碼受力分析,如圖甲所示,sin α=,cos α=。根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件可得,鉤碼的重力為G=2kΔLcos α。將彈性繩的兩端緩慢移至天花板上的同一點(diǎn)時(shí),受力圖如圖乙所示。設(shè)彈性繩伸長(zhǎng)量為ΔL′,彈力為F′=kΔL′,鉤碼的重力為G=2kΔL′,聯(lián)立解得ΔL′=ΔL=6 cm。彈性繩的總長(zhǎng)度變?yōu)長(zhǎng)0+2ΔL′=92 cm,故B正確,A、C、D錯(cuò)誤。    甲    乙 答案 B 【真題示例3】 (2017·全國(guó)卷Ⅰ,21)如圖2,柔軟輕繩ON的一端O固定,其中間某點(diǎn)M拴一重物,用手拉住繩的另

5、一端N,初始時(shí),OM豎直且MN被拉直,OM與MN之間的夾角為α(α>)?,F(xiàn)將重物向右上方緩慢拉起,并保持夾角α不變。在OM由豎直被拉到水平的過程中(  ) 圖2 A.MN上的張力逐漸增大 B.MN上的張力先增大后減小 C.OM上的張力逐漸增大 D.OM上的張力先增大后減小 解析 以重物為研究對(duì)象,受重力mg、OM繩上拉力F2、MN上拉力F1,由題意知,三個(gè)力合力始終為零,矢量三角形如圖所示,F(xiàn)1、F2的夾角為π-α不變,在F2轉(zhuǎn)至水平的過程中,矢量三角形在同一外接圓上,由圖可知,MN上的張力F1逐漸增大,OM上的張力F2先增大后減小,所以A、D正確,B、C錯(cuò)誤。 答案 A

6、D 真題感悟 1.高考考查特點(diǎn) (1)共點(diǎn)力的單物體動(dòng)態(tài)平衡及連接體的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)平衡問題是高考命題的熱點(diǎn)(2016年考查了連接體平衡,2017年考查了單個(gè)物體的平衡)。 (2)做好物體的受力分析,畫出力的示意圖,并靈活運(yùn)用幾何關(guān)系和平衡條件是解題的關(guān)鍵。 2.解題常見誤區(qū)及提醒 (1)不能靈活選取研究對(duì)象,不能準(zhǔn)確把握求解問題的切入點(diǎn)。 (2)對(duì)一些常見物理語(yǔ)言(如輕繩、輕環(huán))不理解其內(nèi)涵。 (3)不能靈活應(yīng)用數(shù)學(xué)關(guān)系求解物理問題。 預(yù)測(cè)1 共點(diǎn)力平衡條件的應(yīng)用 預(yù)測(cè)2 整體法、隔離法的應(yīng)用 預(yù)測(cè)3 物體的動(dòng)態(tài)平衡 1.(多選)如圖3所示,在粗糙的水平桌面上靜

7、止放著一盞臺(tái)燈,該臺(tái)燈可通過支架前后調(diào)節(jié)從而可將燈頭進(jìn)行前后調(diào)節(jié),下列對(duì)于臺(tái)燈的受力分析正確的是(  ) 圖3 A.臺(tái)燈受到水平向左的摩擦力 B.若將燈頭向前調(diào)一點(diǎn)(臺(tái)燈未倒),則桌面對(duì)臺(tái)燈的支持力將變大 C.支架對(duì)燈頭的支持力方向豎直向上 D.整個(gè)臺(tái)燈所受的合外力為零 解析 以整個(gè)臺(tái)燈為研究對(duì)象,臺(tái)燈受到重力和桌面的支持力,且處于平衡狀態(tài),故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)D正確;根據(jù)二力平衡可知燈頭所受支架的支持力豎直向上,故選項(xiàng)C正確;若將燈頭向前調(diào)一點(diǎn)(臺(tái)燈未倒),臺(tái)燈仍然處于平衡狀態(tài),故桌面對(duì)臺(tái)燈的支持力大小不變,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。 答案 CD 2.如圖4所示,一質(zhì)量為M、傾

8、角為θ的斜面體置于水平面上,一質(zhì)量為m的滑塊通過一跨過兩定滑輪的輕繩與一重力為G的鉤碼相連(兩滑輪間的輕繩水平),現(xiàn)將滑塊置于斜面上,滑塊在斜面上勻速上滑,且發(fā)現(xiàn)在滑塊運(yùn)動(dòng)過程中,斜面一直保持不動(dòng),則下列說(shuō)法中正確的是(  ) 圖4 A.地面對(duì)斜面體的摩擦力方向水平向右,大小為Gsin θ B.滑塊對(duì)斜面體的摩擦力方向沿斜面向上,大小為G-mgcos θ C.地面對(duì)斜面體的支持力大小為(M+m)g+G D.地面對(duì)斜面體的支持力大小為(M+m)g 解析 以滑塊和斜面體為整體進(jìn)行研究,其受力分析如圖甲所示,由平衡條件可知地面對(duì)斜面體的支持力大小為FN=(M+m)g,選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正

9、確;地面對(duì)斜面體的摩擦力水平向右,大小為f=G,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤;再以滑塊為研究對(duì)象,受力分析如圖乙所示,由力的平衡可知斜面體對(duì)滑塊的滑動(dòng)摩擦力為f′=G-mgsin θ,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。 答案 D 3.(多選)如圖5所示,A為靜止在水平地面上的斜面,斜面光滑,輕繩一端與B球相連,另一端與一輕質(zhì)彈簧測(cè)力計(jì)相連,再用另一輕繩與彈簧測(cè)力計(jì)相連后固定在天花板上,整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài),B球靠近斜面底端位置,現(xiàn)用一水平向左的推力F′緩慢推動(dòng)斜面。當(dāng)B快要到達(dá)斜面頂端時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)接近于水平位置,在推動(dòng)過程中兩輕繩都處于拉伸狀態(tài)。設(shè)斜面對(duì)小球的支持力為FN,彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F,則在該過程中下列說(shuō)法正確

10、的是(  ) 圖5 A.FN與F的合力變大 B.FN與F的合力方向始終不變 C.FN保持不變,F(xiàn)先增大后減小 D.FN不斷增大,F(xiàn)先減小后增大 解析 B球在三個(gè)共點(diǎn)力作用下達(dá)到平衡狀態(tài),其中重力G的大小和方向均不發(fā)生變化,拉力F的方向改變,支持力FN方向不變,大小改變。利用力的三角形定則作出如圖所示的示意圖,由圖可知選項(xiàng)D正確,C錯(cuò)誤;根據(jù)共點(diǎn)力平衡的特點(diǎn)可知FN與F的合力大小始終等于B球的重力G的大小,且與G方向相反,故選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確。 答案 BD 歸納總結(jié) 1.共點(diǎn)力作用下的物體平衡問題,涉及受力分析、力的合成與分解、建立平衡方程等,其思維與解題過程如下:

11、→→→ 2.解決動(dòng)態(tài)平衡問題的一般思路:把“動(dòng)”化為“靜”,“靜”中求“動(dòng)”。動(dòng)態(tài)平衡問題的分析過程與處理方法如下:  電學(xué)中的平衡問題 【真題示例1】 (2017·天津理綜,3)如圖6所示,兩根平行金屬導(dǎo)軌置于水平面內(nèi),導(dǎo)軌之間接有電阻R。金屬棒ab與兩導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸,整個(gè)裝置放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌平面向下?,F(xiàn)使磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻減小,ab始終保持靜止,下列說(shuō)法正確的是(  ) 圖6 A.ab中的感應(yīng)電流方向由b到a B.ab中的感應(yīng)電流逐漸減小 C.ab所受的安培力保持不變 D.ab所受的靜摩擦力逐漸減小 解析 導(dǎo)體棒ab、電阻R、導(dǎo)軌構(gòu)成閉

12、合回路,磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小(=k為一定值),則閉合回路中的磁通量減小,根據(jù)楞次定律,可知回路中產(chǎn)生順時(shí)針方向的感應(yīng)電流,ab中的電流方向由a到b,故A錯(cuò)誤;根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E===kS,回路面積S不變,即感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為定值,根據(jù)閉合電路歐姆定律I=,所以ab中的電流大小不變,故B錯(cuò)誤;安培力F=BIL,電流大小不變,磁感應(yīng)強(qiáng)度減小,則安培力減小,故C錯(cuò)誤;導(dǎo)體棒處于靜止?fàn)顟B(tài),所受合力為零,對(duì)其受力分析,水平方向靜摩擦力f與安培力F等大反向,安培力減小,則靜摩擦力減小,故D正確。 答案 D 【真題示例2】 (2016·全國(guó)卷Ⅰ,24)如圖7,兩固定的絕緣斜面傾角均為θ,上沿相

13、連。兩細(xì)金屬棒ab(僅標(biāo)出a端)和cd(僅標(biāo)出c端)長(zhǎng)度均為L(zhǎng),質(zhì)量分別為2m和m;用兩根不可伸長(zhǎng)的柔軟輕導(dǎo)線將它們連成閉合回路abdca,并通過固定在斜面上沿的兩光滑絕緣小定滑輪跨放在斜面上,使兩金屬棒水平。右斜面上存在勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于斜面向上,已知兩根導(dǎo)線剛好不在磁場(chǎng)中,回路電阻為R,兩金屬棒與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ,重力加速度大小為g,已知金屬棒ab勻速下滑。求 圖7 (1)作用在金屬棒ab上的安培力的大?。? (2)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度的大小。 解析 (1)由ab、cd棒被平行于斜面的導(dǎo)線相連,故ab、cd速度總是大小相等,cd也做勻速直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)兩導(dǎo)線上

14、拉力的大小為T,右斜面對(duì)ab棒的支持力的大小為FN1,作用在ab棒上的安培力的大小為F,左斜面對(duì)cd棒的支持力大小為FN2,對(duì)于ab棒,受力分析如圖甲所示,由力的平衡條件得   甲       乙 2mgsin θ=μFN1+T+F① FN1=2mgcos θ② 對(duì)于cd棒,受力分析如圖乙所示,由力的平衡條件得 mgsin θ+μFN2=T③ FN2=mgcos θ④ 聯(lián)立①②③④式得:F=mg(sin θ-3μcos θ)⑤ (2)設(shè)金屬棒運(yùn)動(dòng)速度大小為v,ab棒上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 E=BLv⑥ 回路中電流I=⑦ 安培力F=BIL⑧ 聯(lián)立⑤⑥⑦⑧得:v=(sin θ-

15、3μcos θ) 答案 (1)mg(sin θ-3μcos θ) (2)(sin θ-3μcos θ) 真題感悟 1.高考考查特點(diǎn) 電學(xué)中的平衡問題是指在電場(chǎng)力、安培力參與下的平衡問題。 處理電學(xué)中的平衡問題的方法與純力學(xué)問題的分析方法一樣,把方法和規(guī)律進(jìn)行遷移應(yīng)用。 2.解題常見誤區(qū)及提醒 (1)安培力方向的判斷要先判斷磁場(chǎng)方向、電流方向,再用左手定則判斷,同時(shí)注意立體圖轉(zhuǎn)化為平面圖。 (2)電場(chǎng)力或安培力的出現(xiàn),可能會(huì)對(duì)壓力或摩擦力產(chǎn)生影響。 (3)涉及電路問題時(shí),要注意閉合電路歐姆定律的使用。 預(yù)測(cè)1 電場(chǎng)力作用下的平衡問題 預(yù)測(cè)2 電磁場(chǎng)中

16、的平衡問題 預(yù)測(cè)3 電磁感應(yīng)中的平衡問題 1.如圖8所示,質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電小球A用絕緣細(xì)線懸掛于O點(diǎn),帶有電荷量也為q的小球B固定在O點(diǎn)正下方絕緣柱上,其中O點(diǎn)與小球A的間距為l,O點(diǎn)與小球B的間距為l,當(dāng)小球A平衡時(shí),懸線與豎直方向夾角θ=30°,帶電小球A、B均可視為點(diǎn)電荷,靜電力常量為k,則(  ) 圖8 A.A、B間庫(kù)侖力大小F= B.A、B間庫(kù)侖力大小F= C.細(xì)線拉力大小FT= D.細(xì)線拉力大小FT=mg 解析 帶電小球A受力如圖所示,OC=l,即C點(diǎn)為OB中點(diǎn),根據(jù)對(duì)稱性AB=l。由庫(kù)侖定律知A、B間庫(kù)侖力大小F=,細(xì)線拉力FT=F=,選項(xiàng)A、C錯(cuò)

17、誤;根據(jù)平衡條件得Fcos 30°=mg,得F=,繩子拉力FT=,選項(xiàng)B正確,D錯(cuò)誤。 答案 B                     2. (2017·陜西省寶雞市高三教學(xué)質(zhì)量檢測(cè))如圖9所示,勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度方向與水平方向夾角為30°且斜向右上方,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向垂直于紙面(圖中未畫出)。一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電小球(可視為質(zhì)點(diǎn))以與水平方向成30°角斜向左上方的速度v做勻速直線運(yùn)動(dòng),重力加速度為g。則(  ) 圖9 A.勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向可能垂直于紙面向外 B.小球一定帶正電荷 C.電場(chǎng)強(qiáng)度大小為 D.磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為 解析 小球做勻速直線運(yùn)動(dòng),受到的合

18、力為零,假設(shè)小球帶正電,則小球的受力情況如圖甲所示,小球受到的洛倫茲力沿虛線但方向未知,小球受到的重力與電場(chǎng)力的合力與洛倫茲力不可能平衡,故小球不可能做勻速直線運(yùn)動(dòng),假設(shè)不成立,小球一定帶負(fù)電,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;小球的受力情況如圖乙所示,小球受到的洛倫茲力一定斜向右上方,根據(jù)左手定則,勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向一定垂直于紙面向里,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;根據(jù)幾何關(guān)系,電場(chǎng)力大小qE=mg,洛倫茲力大小qvB=mg,解得E=,B=,選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。 答案 C 3.如圖10所示的平行金屬導(dǎo)軌,傾角θ=37°,導(dǎo)體棒MN、PQ分別與導(dǎo)軌垂直放置,質(zhì)量分別為m1和m2,MN與導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5,PQ與導(dǎo)軌無(wú)摩擦

19、,設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力,裝置整體置于方向垂直傾斜導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,現(xiàn)將導(dǎo)體棒PQ由靜止釋放(設(shè)PQ離底端足夠遠(yuǎn))。取g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。試分析m1與m2應(yīng)該滿足什么關(guān)系,才能使導(dǎo)體棒MN在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。 圖10 解析 釋放PQ,回路中產(chǎn)生由P—Q—N—M—P的感應(yīng)電流,對(duì)MN棒受力分析如圖甲所示。 令F1cos θ-μ(m1g+F1sin θ)=0,解得F1=m1g 要使MN能夠運(yùn)動(dòng)必須滿足F安≥m1g 兩導(dǎo)體棒所受到的安培力大小相同,對(duì)PQ棒受力分析如圖乙所示。 當(dāng)導(dǎo)體棒PQ有最大速度時(shí)有F2=m2gsin θ

20、 即PQ受到的安培力F安≤m2gsin θ 故要使導(dǎo)體棒MN在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)須滿足m2≥m1 答案 m2≥m1 練后反思 (1)電荷在電場(chǎng)中一定受電場(chǎng)力作用,電流或電荷在磁場(chǎng)中不一定受磁場(chǎng)力作用。 (2)分析電場(chǎng)力或洛倫茲力時(shí),一定要注意帶電體是正電荷還是負(fù)電荷。  平衡中的臨界極值問題 【模擬示例】 一個(gè)質(zhì)量為1 kg的物體放在粗糙的水平地面上,今用最小的拉力拉它,使之做勻速直線運(yùn)動(dòng),已知這個(gè)最小拉力大小為6 N,取g=10 m/s2,則下列關(guān)于物體與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ的取值,正確的是(  )                    A.μ= B.μ= C.μ=

21、 D.μ= 解析 物體在水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng),可知拉力在水平方向的分力與滑動(dòng)摩擦力相等。以物體為研究對(duì)象,受力分析如圖所示,因?yàn)槲矬w處于平衡狀態(tài)。水平方向有Fcos α=μFN,豎直方向有Fsin α+FN=mg。聯(lián)立可解得:F==,當(dāng)α+φ=90°時(shí),sin(α+φ)=1,F(xiàn)有最小值,F(xiàn)min=,代入數(shù)值得μ=。 答案 C 預(yù)測(cè)1 摩擦力作用下的臨界問題 預(yù)測(cè)2 連接體平衡中的極值問題 1.如圖11所示,楔形木塊M固定在水平桌面上,它的兩底角α和β分別為37°和53°,兩個(gè)物塊a和b放在兩側(cè)的斜面上,由繞過木塊頂端的光滑定滑輪的細(xì)繩相連接,并處于靜止?fàn)顟B(tài),兩物塊與斜面

22、的動(dòng)摩擦因數(shù)均為0.2。如果a的質(zhì)量為m1,b的質(zhì)量為m2,物塊與斜面間的滑動(dòng)摩擦力等于最大靜摩擦力,則可能為(  ) 圖11 A. B. C.2 D.3 解析 當(dāng)a剛好不下滑時(shí),m1gsin α-μm1gcos α=m2gsin β+μm2gcos β,求得=;當(dāng)b剛好不下滑時(shí),m1gsin α+μm1gcos α=m2gsin β-μm2gcos β,求得=,因此,介于和之間,選項(xiàng)C正確。 答案 C 2.(2017·廣東佛山二模,15)如圖12所示,兩個(gè)小球a、b質(zhì)量均為m,用細(xì)線相連并懸掛于O點(diǎn),現(xiàn)用一輕質(zhì)彈簧給小球a施加一個(gè)拉力F,使整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài),且Oa

23、與豎直方向夾角為θ=45°,已知彈簧的勁度系數(shù)為k,則彈簧形變量最小值是(  ) 圖12 A. B. C. D. 解析 對(duì)a球進(jìn)行受力分析,利用圖解法可判斷:當(dāng)彈簧上的拉力F與細(xì)線上的拉力垂直時(shí),彈簧的拉力F最小,為Fmin=2mgsin θ=mg,再根據(jù)胡克定律得彈簧的最小形變量Δx=,所以應(yīng)該選A。 答案 A 歸納總結(jié) 解決臨界極值問題的三種方法 (1)解析法:根據(jù)物體的平衡條件列出平衡方程,在解方程時(shí)采用數(shù)學(xué)方法求極值。通常用到的數(shù)學(xué)知識(shí)有二次函數(shù)求極值、討論分式求極值、三角函數(shù)求極值以及幾何法求極值等。 (2)圖解法:此種方法通常適用于物體只在三個(gè)力作用下的平衡問題。首先根據(jù)平衡條件作出力的矢量三角形,然后根據(jù)矢量三角形進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,確定其最大值或最小值。 (3)極限法:極限法是一種處理極值問題的有效方法,它是指通過恰當(dāng)選取某個(gè)變化的物理量將問題推向極端(如“極大”“極小”等),從而把比較隱蔽的臨界現(xiàn)象暴露出來(lái),快速求解。 - 14 -

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