2019-2020年《力與物體的平衡》教案WORD版.doc

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2019-2020年《力與物體的平衡》教案WORD版 第一講 力的處理 一、矢量的運算 1、加法 表達： + = 。 名詞：為“和矢量”。 法則：平行四邊形法則。如圖1所示。 和矢量大?。篶 = ，其中α為和的夾角。 和矢量方向：在、之間，和夾角β= arcsin 2、減法 表達： = － 。 名詞：為“被減數(shù)矢量”，為“減數(shù)矢量”，為“差矢量”。 法則：三角形法則。如圖2所示。將被減數(shù)矢量和減數(shù)矢量的起始端平移到一點，然后連接兩時量末端，指向被減數(shù)時量的時量，即是差矢量。 差矢量大?。篴 = ，其中θ為和的夾角。 差矢量的方向可以用正弦定理求得。 一條直線上的矢量運算是平行四邊形和三角形法則的特例。 例題：已知質點做勻速率圓周運動，半徑為R ，周期為T ，求它在T內和在T內的平均加速度大小。 解說：如圖3所示，A到B點對應T的過程，A到C點對應T的過程。這三點的速度矢量分別設為、和。 根據(jù)加速度的定義 = 得：= ，= 由于有兩處涉及矢量減法，設兩個差矢量 = － ，= － ，根據(jù)三角形法則，它們在圖3中的大小、方向已繪出（的“三角形”已被拉伸成一條直線）。 本題只關心各矢量的大小，顯然： = = = ，且： = = ， = 2= 所以：= = = ，= = = 。 （學生活動）觀察與思考：這兩個加速度是否相等，勻速率圓周運動是不是勻變速運動？ 答：否；不是。 3、乘法 矢量的乘法有兩種：叉乘和點乘，和代數(shù)的乘法有著質的不同。 ⑴ 叉乘 表達： = 名詞：稱“矢量的叉積”，它是一個新的矢量。 叉積的大?。篶 = absinα，其中α為和的夾角。意義：的大小對應由和作成的平行四邊形的面積。 叉積的方向：垂直和確定的平面，并由右手螺旋定則確定方向，如圖4所示。 顯然，≠，但有：= － ⑵ 點乘 表達： = c 名詞：c稱“矢量的點積”，它不再是一個矢量，而是一個標量。 點積的大?。篶 = abcosα，其中α為和的夾角。 二、共點力的合成 1、平行四邊形法則與矢量表達式 2、一般平行四邊形的合力與分力的求法 余弦定理（或分割成RtΔ）解合力的大小 正弦定理解方向 三、力的分解 1、按效果分解 2、按需要——正交分解 第二講 物體的平衡 一、共點力平衡 1、特征：質心無加速度。 2、條件：Σ = 0 ，或 = 0 ， = 0 例題：如圖5所示，長為L 、粗細不均勻的橫桿被兩根輕繩水平懸掛，繩子與水平方向的夾角在圖上已標示，求橫桿的重心位置。 解說：直接用三力共點的知識解題，幾何關系比較簡單。 答案：距棒的左端L/4處。 （學生活動）思考：放在斜面上的均質長方體，按實際情況分析受力，斜面的支持力會通過長方體的重心嗎？ 解：將各處的支持力歸納成一個N ，則長方體受三個力（G 、f 、N）必共點，由此推知，N不可能通過長方體的重心。正確受力情形如圖6所示（通常的受力圖是將受力物體看成一個點，這時，N就過重心了）。 答：不會。 二、轉動平衡 1、特征：物體無轉動加速度。 2、條件：Σ= 0 ，或ΣM+ =ΣM- 如果物體靜止，肯定會同時滿足兩種平衡，因此用兩種思路均可解題。 3、非共點力的合成 大小和方向：遵從一條直線矢量合成法則。 作用點：先假定一個等效作用點，然后讓所有的平行力對這個作用點的和力矩為零。 第三講 習題課 1、如圖7所示，在固定的、傾角為α斜面上，有一塊可以轉動的夾板（β不定），夾板和斜面夾著一個質量為m的光滑均質球體，試求：β取何值時，夾板對球的彈力最小。 解說：法一，平行四邊形動態(tài)處理。 對球體進行受力分析，然后對平行四邊形中的矢量G和N1進行平移，使它們構成一個三角形，如圖8的左圖和中圖所示。 由于G的大小和方向均不變，而N1的方向不可變，當β增大導致N2的方向改變時，N2的變化和N1的方向變化如圖8的右圖所示。 顯然，隨著β增大，N1單調減小，而N2的大小先減小后增大，當N2垂直N1時，N2取極小值，且N2min = Gsinα。 法二，函數(shù)法。 看圖8的中間圖，對這個三角形用正弦定理，有： = ，即：N2 = ，β在0到180之間取值，N2的極值討論是很容易的。 答案：當β= 90時，甲板的彈力最小。 2、把一個重為G的物體用一個水平推力F壓在豎直的足夠高的墻壁上，F(xiàn)隨時間t的變化規(guī)律如圖9所示，則在t = 0開始物體所受的摩擦力f的變化圖線是圖10中的哪一個？ 解說：靜力學旨在解決靜態(tài)問題和準靜態(tài)過程的問題，但本題是一個例外。物體在豎直方向的運動先加速后減速，平衡方程不再適用。如何避開牛頓第二定律，是本題授課時的難點。 靜力學的知識，本題在于區(qū)分兩種摩擦的不同判據(jù)。 水平方向合力為零，得：支持力N持續(xù)增大。 物體在運動時，滑動摩擦力f = μN ，必持續(xù)增大。但物體在靜止后靜摩擦力f′≡ G ，與N沒有關系。 對運動過程加以分析，物體必有加速和減速兩個過程。據(jù)物理常識，加速時，f ＜ G ，而在減速時f ＞ G 。 答案：B 。 3、如圖11所示，一個重量為G的小球套在豎直放置的、半徑為R的光滑大環(huán)上，另一輕質彈簧的勁度系數(shù)為k ，自由長度為L（L＜2R），一端固定在大圓環(huán)的頂點A ，另一端與小球相連。環(huán)靜止平衡時位于大環(huán)上的B點。試求彈簧與豎直方向的夾角θ。 解說：平行四邊形的三個矢量總是可以平移到一個三角形中去討論，解三角形的典型思路有三種：①分割成直角三角形（或本來就是直角三角形）；②利用正、余弦定理；③利用力學矢量三角形和某空間位置三角形相似。本題旨在貫徹第三種思路。 分析小球受力→矢量平移，如圖12所示，其中F表示彈簧彈力，N表示大環(huán)的支持力。 （學生活動）思考：支持力N可不可以沿圖12中的反方向？（正交分解看水平方向平衡——不可以。） 容易判斷，圖中的灰色矢量三角形和空間位置三角形ΔAOB是相似的，所以： ⑴ 由胡克定律：F = k（- R） ⑵ 幾何關系：= 2Rcosθ ⑶ 解以上三式即可。 答案：arccos 。 （學生活動）思考：若將彈簧換成勁度系數(shù)k′較大的彈簧，其它條件不變，則彈簧彈力怎么變？環(huán)的支持力怎么變？ 答：變??；不變。 （學生活動）反饋練習：光滑半球固定在水平面上，球心O的正上方有一定滑輪，一根輕繩跨過滑輪將一小球從圖13所示的A位置開始緩慢拉至B位置。試判斷：在此過程中，繩子的拉力T和球面支持力N怎樣變化？ 解：和上題完全相同。 答：T變小，N不變。 4、如圖14所示，一個半徑為R的非均質圓球，其重心不在球心O點，先將它置于水平地面上，平衡時球面上的A點和地面接觸；再將它置于傾角為30的粗糙斜面上，平衡時球面上的B點與斜面接觸，已知A到B的圓心角也為30。試求球體的重心C到球心O的距離。 解說：練習三力共點的應用。 根據(jù)在平面上的平衡，可知重心C在OA連線上。根據(jù)在斜面上的平衡，支持力、重力和靜摩擦力共點，可以畫出重心的具體位置。幾何計算比較簡單。 答案：R 。 （學生活動）反饋練習：靜摩擦足夠，將長為a 、厚為b的磚塊碼在傾角為θ的斜面上，最多能碼多少塊？ 解：三力共點知識應用。 答： 。 4、兩根等長的細線，一端拴在同一懸點O上，另一端各系一個小球，兩球的質量分別為m1和m2 ，已知兩球間存在大小相等、方向相反的斥力而使兩線張開一定角度，分別為45和30，如圖15所示。則m1 : m2為多少？ 解說：本題考查正弦定理、或力矩平衡解靜力學問題。 對兩球進行受力分析，并進行矢量平移，如圖16所示。 首先注意，圖16中的灰色三角形是等腰三角形，兩底角相等，設為α。 而且，兩球相互作用的斥力方向相反，大小相等，可用同一字母表示，設為F 。 對左邊的矢量三角形用正弦定理，有： = ① 同理，對右邊的矢量三角形，有： = ② 解①②兩式即可。 答案：1 ： 。 （學生活動）思考：解本題是否還有其它的方法？ 答：有——將模型看成用輕桿連成的兩小球，而將O點看成轉軸，兩球的重力對O的力矩必然是平衡的。這種方法更直接、簡便。 應用：若原題中繩長不等，而是l1 ：l2 = 3 ：2 ，其它條件不變，m1與m2的比值又將是多少？ 解：此時用共點力平衡更加復雜（多一個正弦定理方程），而用力矩平衡則幾乎和“思考”完全相同。 答：2 ：3 。 5、如圖17所示，一個半徑為R的均質金屬球上固定著一根長為L的輕質細桿，細桿的左端用鉸鏈與墻壁相連，球下邊墊上一塊木板后，細桿恰好水平，而木板下面是光滑的水平面。由于金屬球和木板之間有摩擦（已知摩擦因素為μ），所以要將木板從球下面向右抽出時，至少需要大小為F的水平拉力。試問：現(xiàn)要將木板繼續(xù)向左插進一些，至少需要多大的水平推力？ 解說：這是一個典型的力矩平衡的例題。 以球和桿為對象，研究其對轉軸O的轉動平衡，設木板拉出時給球體的摩擦力為f ，支持力為N ，重力為G ，力矩平衡方程為： f R + N（R + L）= G（R + L） ① 球和板已相對滑動，故：f = μN ② 解①②可得：f = 再看木板的平衡，F(xiàn) = f 。 同理，木板插進去時，球體和木板之間的摩擦f′= = F′。 答案： 。 第四講 摩擦角及其它 一、摩擦角 1、全反力：接觸面給物體的摩擦力與支持力的合力稱全反力，一般用R表示，亦稱接觸反力。 2、摩擦角：全反力與支持力的最大夾角稱摩擦角，一般用φm表示。 此時，要么物體已經滑動，必有：φm = arctgμ（μ為動摩擦因素），稱動摩擦力角；要么物體達到最大運動趨勢，必有：φms = arctgμs（μs為靜摩擦因素），稱靜摩擦角。通常處理為φm = φms 。 3、引入全反力和摩擦角的意義：使分析處理物體受力時更方便、更簡捷。 二、隔離法與整體法 1、隔離法：當物體對象有兩個或兩個以上時，有必要各個擊破，逐個講每個個體隔離開來分析處理，稱隔離法。 在處理各隔離方程之間的聯(lián)系時，應注意相互作用力的大小和方向關系。 2、整體法：當各個體均處于平衡狀態(tài)時，我們可以不顧個體的差異而講多個對象看成一個整體進行分析處理，稱整體法。 應用整體法時應注意“系統(tǒng)”、“內力”和“外力”的涵義。 三、應用 1、物體放在水平面上，用與水平方向成30的力拉物體時，物體勻速前進。若此力大小不變，改為沿水平方向拉物體，物體仍能勻速前進，求物體與水平面之間的動摩擦因素μ。 解說：這是一個能顯示摩擦角解題優(yōu)越性的題目?？梢酝ㄟ^不同解法的比較讓學生留下深刻印象。 法一，正交分解。（學生分析受力→列方程→得結果。） 法二，用摩擦角解題。 引進全反力R ，對物體兩個平衡狀態(tài)進行受力分析，再進行矢量平移，得到圖18中的左圖和中間圖（注意：重力G是不變的，而全反力R的方向不變、F的大小不變），φm指摩擦角。 再將兩圖重疊成圖18的右圖。由于灰色的三角形是一個頂角為30的等腰三角形，其頂角的角平分線必垂直底邊……故有：φm = 15。 最后，μ= tgφm 。 答案：0.268 。 （學生活動）思考：如果F的大小是可以選擇的，那么能維持物體勻速前進的最小F值是多少？ 解：見圖18，右圖中虛線的長度即Fmin ，所以，F(xiàn)min = Gsinφm 。 答：Gsin15（其中G為物體的重量）。 2、如圖19所示，質量m = 5kg的物體置于一粗糙斜面上，并用一平行斜面的、大小F = 30N的推力推物體，使物體能夠沿斜面向上勻速運動，而斜面體始終靜止。已知斜面的質量M = 10kg ，傾角為30，重力加速度g = 10m/s2 ，求地面對斜面體的摩擦力大小。 解說：本題旨在顯示整體法的解題的優(yōu)越性。 法一，隔離法。簡要介紹…… 法二，整體法。注意，滑塊和斜面隨有相對運動，但從平衡的角度看，它們是完全等價的，可以看成一個整體。 做整體的受力分析時，內力不加考慮。受力分析比較簡單，列水平方向平衡方程很容易解地面摩擦力。 答案：26.0N 。 （學生活動）地面給斜面體的支持力是多少？ 解：略。 答：135N 。 應用：如圖20所示，一上表面粗糙的斜面體上放在光滑的水平地面上，斜面的傾角為θ。另一質量為m的滑塊恰好能沿斜面勻速下滑。若用一推力F作用在滑塊上，使之能沿斜面勻速上滑，且要求斜面體靜止不動，就必須施加一個大小為P = 4mgsinθcosθ的水平推力作用于斜面體。使?jié)M足題意的這個F的大小和方向。 解說：這是一道難度較大的靜力學題，可以動用一切可能的工具解題。 法一：隔離法。 由第一個物理情景易得，斜面于滑塊的摩擦因素μ= tgθ 對第二個物理情景，分別隔離滑塊和斜面體分析受力，并將F沿斜面、垂直斜面分解成Fx和Fy ，滑塊與斜面之間的兩對相互作用力只用兩個字母表示（N表示正壓力和彈力，f表示摩擦力），如圖21所示。 對滑塊，我們可以考查沿斜面方向和垂直斜面方向的平衡—— Fx = f + mgsinθ Fy + mgcosθ= N 且 f = μN = Ntgθ 綜合以上三式得到： Fx = Fytgθ+ 2mgsinθ ① 對斜面體，只看水平方向平衡就行了—— P = fcosθ+ Nsinθ 即：4mgsinθcosθ=μNcosθ+ Nsinθ 代入μ值，化簡得：Fy = mgcosθ ② ②代入①可得：Fx = 3mgsinθ 最后由F =解F的大小，由tgα= 解F的方向（設α為F和斜面的夾角）。 答案：大小為F = mg，方向和斜面夾角α= arctg()指向斜面內部。 法二：引入摩擦角和整體法觀念。 仍然沿用“法一”中關于F的方向設置（見圖21中的α角）。 先看整體的水平方向平衡，有：Fcos(θ- α) = P ⑴ 再隔離滑塊，分析受力時引進全反力R和摩擦角φ，由于簡化后只有三個力（R、mg和F），可以將矢量平移后構成一個三角形，如圖22所示。 在圖22右邊的矢量三角形中， 有： = = ⑵ 注意： φ= arctgμ= arctg(tgθ) = θ ⑶ 解⑴⑵⑶式可得F和α的值。