力物体的平衡

-1-一、力物体的平衡一、知识网络力力的基本概念定义要素效果力物体间的相互作用重力弹力摩擦力改变运动状态形变力的图示转动平动外力作用形式：拉压、弯曲、扭转恢复：弹性形变、非弹性形变按作用方式按性质分影响显示表示牛顿第三定律力的分类按研究系统按效果分接触力、场力产生原因作用效果内力、外力力的运算平行四边形法则力的合成力的分解按效果分正交分解常见三种力大小方向作用点静摩擦力滑动摩擦力-2-1、力：力是物体对物体的作用。⑴力是一种作用，可以通过直接接触实现（如弹力、摩擦力），也可以通过场来实现（重力、电场力、磁场力）⑵力的性质：物质性（力不能脱离物体而独立存在）；相互性（成对出现，遵循牛顿第三定律）；矢量性（有大小和方向，遵从矢量运算法则）；效果性（形变、改变物体运动状态，即产生加速度）⑶力的要素：力的大小、方向和作用点称为力的三要素，它们共同影响力的作用效果。力的描述：描述一个力，应描述力的三要素，除直接说明外，可以用力的图示和力的示意图的方法。⑷力的分类：按作用方式，可分为场力（重力、电场力）、接触力（弹力、摩擦力）；接效果分，有动力、阻力、牵引力、向心力、恢复力等；接性质分，有重力、弹力、摩擦力、分子力等；按研究系统分，内力、外力。2、重力：由于地球吸引，而使物体受到的力。（1）重力的产生：由于地球的吸引而使物体受到的力叫重力。（2）重力的大小：G=mg，可以用弹簧秤测量，重力的大小与物体的速度、加速度无关。（3）重力的方向：竖直向下。（4）重心：重力的作用点。重心的测定方法：悬挂法。重心的位置与物体形状的关系：质量分布均匀的物体，重心位置只与物体形状有关，其几何中心就是重心；质量分布不均匀的物体，其重心的位置除了跟形状有关外，还跟物体的质量分布有关。3、弹力（1）弹力的产生：发生弹性形变的物体，由于要恢复原来的形状，对跟它接触的物体产生力的作用，这种力叫弹力。（2）产生的条件：两物体要相互接触；发生弹性形变。（3）弹力的方向：①压力、支持力的方向总是垂直于接触面。②绳对物体的拉力总是沿着绳收缩的方向。③杆对物体的弹力不一定沿杆的方向。如果轻直杆只有两个端点受力而处于平衡状态，则轻杆两端对物体的弹力的方向一定沿杆的方向。例题：如图所示，光滑但质量分布不均的小球的球心在O，重心在P，静止在竖直墙和桌边之间。试画出小球所受弹力。解析：由于弹力的方向总是垂直于接触面，在A点，弹力F1应该垂直于球面所以沿半径方向指向球心O；在B点弹力F2垂直于墙面，因此也沿半径指向球心O。注意弹力必须指向球心，而不一定指向重心。又由于F1、F2、G为共点力，重力的作用线必须经过O点，因此P和O必在同一竖直线上，P点可能在O的正上方（不稳定平衡），也可能在O的正下方（稳定平衡）。例题：如图所示，重力不可忽略的均匀杆被细绳拉住而静止，试画出杆所受的弹力。解析：A端所受绳的拉力F1沿绳收缩的方向，因此沿绳向斜上方；B端所受的弹力F2垂直于水平面竖直向上。由于此直杆的重力不可忽略，其两端受的力可能不沿杆的方向。二、画龙点睛概念F2APOF1BF1F2AB-3-杆受的水平方向合力应该为零。由于杆的重力G竖直向下，因此杆的下端一定还受到向右的摩擦力f作用。例题：图中AC为竖直墙面，AB为均匀横梁，其重为G，处于水平位置。BC为支持横梁的轻杆，A、B、C三处均用铰链连接。试画出横梁B端所受弹力的方向。解析：轻杆BC只有两端受力，所以B端所受压力沿杆向斜下方，其反作用力轻杆对横梁的弹力F沿轻杆延长线方向斜向上方。（4）弹力的大小：对有明显形变的弹簧、橡皮条等物体，弹力的大小可以由胡克定律计算。对没有明显形变的物体，如桌面、绳子等物体，弹力大小由物体的受力情况和运动情况共同决定，根据运动情况，利用平衡条件或动力学规律来计算。胡克定律：在弹性限度内，弹簧的弹力与弹簧的伸长（或收缩）的长度x成正比，F=kx，k是劲度系数。除此之外，一般物体的弹力大小，就需例题：如图所示，两物体重分别为G1、G2，两弹簧劲度分别为k1、k2，弹簧两端与物体和地面相连。用竖直向上的力缓慢向上拉G2，最后平衡时拉力F=G1+2G2，求该过程系统重力势能的增量。解析：关键是搞清两个物体高度的增量Δh1和Δh2跟初、末状态两根弹簧的形变量Δx1、Δx2、Δx1/、Δx2/间的关系。无拉力F时Δx1=(G1+G2)/k1，Δx2=G2/k2，（Δx1、Δx2为压缩量）加拉力F时Δx1/=G2/k1，Δx2/=(G1+G2)/k2，（Δx1/、Δx2/为伸长量）而Δh1=Δx1+Δx1/，Δh2=(Δx1/+Δx2/)+(Δx1+Δx2)系统重力势能的增量ΔEp=G1Δh1+G2Δh2整理后可得：22121212kGkGGGGEP4、摩擦力（1）摩擦力的产生；两个相互接触的物体，有相对运动趋势（或相对运动）时产生摩擦力。（2）作用效果：总是要阻碍物体间的相对运动（或相对运动趋势）。（3）产生的条件：接触面粗糙；相互接触且挤压；有相对运动（或相对运动趋势）。（4）摩擦力的方向：总是与物体的相对运动方向（或相对运动趋势方向）相反。（5）摩擦力的大小：静摩擦力的大小与外力的变化有关，而与正压力无关，要计算静摩擦力，就需根据物体的运动状态，利用平衡条件或动力学规律来计算求解，其可能的取值范围是0＜Ff≤Fm；滑动摩擦力的大小与正压力成正比，即F=μFN，其中的FN表示正压力，不一定等于重力G；μ为动摩擦因数，与接触面的材料和状况有关。例题：如图所示，用跟水平方向成α角的推力F推重量为G的木块沿天花板向右运动，木块和天花板间的动摩擦因数为μ，求木块所受的摩擦力大小。解析：由竖直方向合力为零可得FN=Fsinα-G，因此有：f=μ(Fsinα-G)例题：如图所示，A、B为两个相同木块，A、B间最大静摩擦力Fm=5N，水平面光滑。拉力F至少多大，A、B才会相对滑动？FABCG1Δx2k2G2Δx1Δx1/Δx2/k1FG1G2k2k1FABαFGGFF1F2fFNα-4-F1F2FOF1F2FO解析：A、B间刚好发生相对滑动时，A、B间的相对运动状态处于一个临界状态，既可以认为发生了相对滑动，摩擦力是滑动摩擦力，其大小等于最大静摩擦力5N，也可以认为还没有发生相对滑动，因此A、B的加速度仍然相等。分别以A和整体为对象，运用牛顿第二定律，可得拉力大小至少为F=10N（研究物理问题经常会遇到临界状态。物体处于临界状态时，可以认为同时具有两个状态下的所有性质。）例题：小车向右做初速为零的匀加速运动，物体恰好沿车后壁匀速下滑。试分析下滑过程中物体所受摩擦力的方向和物体速度方向的关系。解析：物体受的滑动摩擦力的始终和小车的后壁平行，方向竖直向上，而物体的运动轨迹为抛物线，相对于地面的速度方向不断改变（竖直分速度大小保持不变，水平分速度逐渐增大），所以摩擦力方向和运动方向间的夹角可能取90°和180°间的任意值。5、矢量和标量（1）在物理学中物理量有两种：一是矢量（即既有大小，又有方向的物理量），如力、位移、加速度等；另一种是标量（只有大小，没有方向的物理量），如体积、路程、功、能等。（2）矢量的合成均遵循平行四边形法则，而标量的运算则用代数加减。（3）一直线上的矢量合成，可先规定正方向，与正方向相同的矢量方向均为正，与之相反则为负，然后进行加减。6、力的合成（1）一个力如果产生的效果与几个力共同作用所产生的效果相同，这个力就叫做那几个的合力，而那几个力就叫做这个力的分力，求几个力的合力叫力的合成。（2）力的合成遵循平行四边形法则，如求两个互成角度的共点力F1、F2的合力，可以把表示F1、F2的线段作为邻边，作一平行四边形，它的对角线即表示合力的大小和方向。（3）共点的两个力F1、F2的合力F的大小，与两者的夹角有关，两个分力同向时合力最大，反向时合力最小，即合力的取值范围为2121FFFFF。7、力的分解（1）由一个已知力求解它的分力叫力的分解。（2）力的分解是力的合成的逆过程，也同样遵循平行四边形法则。（3）由平行四边形法则可知，力的合成是唯一的，而力的分解则可能多解。但在处理实际问题时，力的分解必须依据力的作用效果，答案同样是唯一的。（4）把力沿着相互垂直的两个方向分解叫正交分解。如果物体受到多个力的共同作用时，一般常用正交分解法，将各个力都分解到相互垂直的两个方向上，然后分别沿两个方向上求解。平行四边形定则实质上是一种等效替换的方法。一个矢量（合矢量）的作用效果和另外几个矢量（分矢量）共同作用的效果相同，就可以用这一个矢量代替那几个矢量，也可以用那几个矢量代替这一个矢量，而不改变原来的作用效果。av相对-5-ABva由三角形定则还可以得到一个有用的推论：如果n个力首尾相接组成一个封闭多边形，则这n个力的合力为零。在分析同一个问题时，合矢量和分矢量不能同时使用。也就是说，在分析问题时，考虑了合矢量就不能再考虑分矢量；考虑了分矢量就不能再考虑合矢量。矢量的合成分解，一定要认真作图。在用平行四边形定则时，分矢量和合矢量要画成带箭头的实线，平行四边形的另外两个边必须画成虚线。各个矢量的大小和方向一定要画得合理。在应用正交分解时，两个分矢量和合矢量的夹角一定要分清哪个是大锐角，哪个是小锐角，不可随意画成45°。例题：A的质量是m，A、B始终相对静止，共同沿水平面向右运动。当a1=0时和a2=0.75g时，B对A的作用力FB各多大？解析：一定要审清题：B对A的作用力FB是B对A的支持力和摩擦力的合力。而A所受重力G=mg和FB的合力是F=ma。当a1=0时，G与FB二力平衡，所以FB大小为mg，方向竖直向上。当a2=0.75g时，用平行四边形定则作图：先画出重力（包括大小和方向），再画出A所受合力F的大小和方向，再根据平行四边形定则画出FB。由已知可得FB的大小FB=1.25mg，方向与竖直方向成37o角斜向右上方。例题：轻绳AB总长l，用轻滑轮悬挂重G的物体。绳能承受的最大拉力是2G，将A端固定，将B端缓慢向右移动d而使绳不断，求d的最大可能值。解析：以与滑轮接触的那一小段绳子为研究对象，在任何一个平衡位置都在滑轮对它的压力（大小为G）和绳的拉力F1、F2共同作用下静止。而同一根绳子上的拉力大小F1、F2总是相等的，它们的合力N是压力G的平衡力，方向竖直向上。因此以F1、F2为分力做力的合成的平行四边形一定是菱形。利用菱形对角线互相垂直平分的性质，结合相似形知识可得d∶l=15∶4，所以d最大为l4158、两个力的合力与两个力大小的关系两力同向时合力最大：F＝F1+F2，方向与两力同向；两力方向相反时，合力最小：F＝21FF，方向与两力较大者同向；两力成某一角度θ时，三角形每一条边对应一个力，由几何知识知道：两边之和大于第三边，两边之差小于第三边，即此合力的范围是2121FFFFF。。合力可以大于等于两力中的任一个力，也可以小于任一个力．当两力大小一定时，合力随两力夹角的增大而减小，随两力夹角的减小而增大．9、共点力平衡的几个基本概念（1）共点力：几个力作用于一点或几个力的作用线交于一点，这几个力称为共点力。（2）物体的平衡状态：静止（速度、加速度都等于零）、匀速直线运动、匀速转动。（3）共点力作用下物体的平衡条件：物体所受的各力的合力为零。GFBFαABGF1F2N-6-1、平衡条件的推论推论（1）：若干力作用于物体使物体平衡，则其中任意一个力必与其他的力的合力等大、反向．推论（2）：三个力作用于物体使物体平衡，若三个力彼此不平行．则这三个力必共点(作用线交于同一点).推论（3）：三个力作用于物体使物体平衡，则这三个力的作用线必构成封闭的三角形．2、三力汇交原理：物体在作用线共面的三个非平行力作用处于平衡状态时，这三个力的作用线必相交于一点．3、解答平衡问题的常用方法(1)拉密原理：如果在共点的三个力作用下物体处于平衡状态，那么各力的大小分别与另外两个力夹角的正弦成正比，其表达式为.sinsinsin332211FFF(2)相似三角形法．(3)正交