2019-2020学年新教材高中物理 第3章 章末优化总结课件 新人教版必修第一册

章末优化总结第三章相互作用——力对杆、绳弹力的进一步分析1．杆的弹力自由转动的杆：弹力一定沿杆方向，可提供拉力，也可提供推力．固定不动的杆：弹力不一定沿杆方向，由物体所处的状态决定．2．绳的弹力(1)“死结”绳：可理解为把绳子分成两段，结点不可沿绳滑动，两侧看成两根独立的绳子，弹力大小不一定相等．(2)“活结”绳：一般是由绳跨过滑轮或绳上挂一光滑挂钩，实际上是同一根绳子．结点可沿绳滑动，两侧绳上的弹力大小相等．如图甲所示，轻绳AD跨过固定的水平横梁BC右端的定滑轮挂住一个质量为M1的物体，∠ACB＝30°；图乙中轻杆HG一端用铰链固定在竖直墙上，另一端G通过细绳EG拉住，EG与水平方向也成30°，轻杆的G点用细绳GF拉住一个质量为M2的物体，求：(1)轻绳AC段的张力FTAC与细绳EG的张力FTEG之比；(2)轻杆BC对C端的支持力；(3)轻杆HG对G端的支持力．[解析]题图甲和乙中的两个物体M1、M2都处于平衡状态，根据平衡条件，首先判断与物体相连的细绳，其拉力大小等于物体的重力；分别取C点和G点为研究对象，进行受力分析如图1和2所示，根据平衡规律可求解．(1)图1中轻绳AD跨过定滑轮拉住质量为M1的物体，物体处于平衡状态，轻绳AC段的拉力FTAC＝FTCD＝M1g，图2中由FTEGsin30°＝M2g，得FTEG＝2M2g.所以FTACFTEG＝M12M2.(2)图1中，三个力之间的夹角都为120°，根据平衡规律有FNC＝FTAC＝M1g，方向和水平方向成30°，指向右上方．(3)图2中，根据平衡方程有FTEGsin30°＝M2g，FTEGcos30°＝FNG，所以FNG＝M2gtan30°＝3M2g，方向水平向右．[答案](1)M12M2(2)M1g方向和水平方向成30°指向右上方(3)3M2g方向水平向右(1)绳杆支架问题中一定先判断绳是“死结”还是“活结”，杆是“自由杆”还是“固定杆”，一般选结点为研究对象受力分析．(2)杆的弹力与绳的弹力不同，绳的弹力始终沿绳指向绳收缩的方向，但杆的弹力方向不一定沿杆的方向，其大小和方向的判断要根据物体的运动状态来确定，可以理解为“按需提供”，即为了维持物体的状态，由受力平衡求解得到所需弹力的大小和方向．如图所示，水平轻杆的一端固定在墙上，轻绳与竖直方向的夹角为37°，小球的重力为12N，轻绳的拉力为10N，水平轻弹簧的弹力为9N，求轻杆对小球的作用力．解析：(1)弹簧向左拉小球时，设杆的弹力大小为F，与水平方向的夹角为α，小球受力如图甲所示．甲由平衡条件知：Fcosα＋F1sin37°＝F2Fsinα＋F1cos37°＝G代入数据解得：F≈5N，α＝53°即杆对小球的作用力大小约为5N，方向与水平方向成53°角斜向右上方．(2)弹簧向右推小球时，小球受力如图乙所示，乙由平衡条件知：Fcosα＋F1sin37°＋F2＝0Fsinα＋F1cos37°＝G代入数据解得：F≈15.5N，α＝π－arctan415.即杆对小球的作用力大小约为15.5N，方向与水平方向成arctan415斜向左上方．答案：见解析摩擦力的“突变”问题摩擦力突变的常见情况分类说明案例图示静—静“突变”物体在摩擦力和其他力作用下处于平衡状态，当作用在物体上的其他力发生突变时，如果物体仍能保持静止状态，则物体受到的静摩擦力的大小或方向将会发生“突变”在水平力F作用下物体静止于斜面，F突然增大时物体仍静止，则所受静摩擦力大小或方向将“突变”分类说明案例图示静—动“突变”物体在摩擦力和其他力作用下处于静止状态，当其他力变化时，如果物体不能保持静止状态，则物体受到的静摩擦力将“突变”为滑动摩擦力放在粗糙水平面上的物体，水平作用力F从零逐渐增大，物体开始滑动时，物体受到地面的摩擦力由静摩擦力“突变”为滑动摩擦力分类说明案例图示动—静“突变”在摩擦力和其他力作用下，做减速运动的物体突然停止滑行时，物体将不受摩擦力作用，或滑动摩擦力“突变”为静摩擦力滑块以v0冲上斜面做减速运动，当到达某位置静止时，滑动摩擦力“突变”为静摩擦力分类说明案例图示动—动“突变”某物体相对于另一物体滑动的过程中，若突然相对运动方向变了，则滑动摩擦力方向发生“突变”水平传送带的速度v1大于滑块的速度v2，滑块受到的滑动摩擦力方向向右，当传送带突然被卡住时滑块受到的滑动摩擦力方向“突变”为向左把一重为G的物体，用一个水平的推力F＝kt(k为恒量，t为时间)压在竖直的足够高的平整的墙面上，如图所示，从t＝0开始物体所受的摩擦力Ff随t的变化关系是图中的哪一个()[解析]由于物体受的水平推力为F＝kt，由二力平衡得，墙与物体间的压力FN＝kt.当F比较小时，物体受到的摩擦力Ff小于物体的重力G，物体将沿墙壁下滑，此时物体受到的摩擦力为滑动摩擦力．由Ff＝μFN得，滑动摩擦力Ff＝μkt，当摩擦力Ff大小等于重力G时，由于惯性作用，物体不能立即停止运动，物体受到的摩擦力仍然是滑动摩擦力．随着摩擦力的增大，摩擦力将大于重力，物体做减速运动直至静止，摩擦力将变为静摩擦力，静摩擦力与正压力无关，跟重力始终平衡．[答案]B物体受到的外力发生变化时，物体受到的摩擦力就有可能发生突变．解决这类问题的关键：正确对物体进行受力分析和运动状态分析，从而找到物体摩擦力的突变“临界点”．如图甲所示，A物体放在水平面上，动摩擦因数为0.2，物体A重10N，设物体A与水平面间的最大静摩擦力为2.5N，若对A施加一个由零均匀增大到6N的水平推力F，请在图乙中画出A所受的摩擦力FA随水平推力F变化的图线．解析：水平推力F≤2.5N之前，物体未动，物体受静摩擦力FA＝F.当F2.5N后，FA发生突变，变成滑动摩擦力，其大小为FA滑＝μFN＝μG＝0.2×10N＝2N．作出图象如图所示．答案：见解析图物体平衡中的临界和极值问题1．临界问题(1)临界状态：物体的平衡状态将要发生变化的状态．(2)当某物理量发生变化时，会引起其他物理量的变化，从而使物体所处的平衡状态“恰好出现”或“恰好不出现”，这类问题的描述中经常出现“刚好”“恰好”等词语．(3)处理这类问题的最有效方法是假设推理法，也就是先假设，再根据平衡条件及有关知识列平衡方程，最后求解．(4)常见的临界状态状态临界条件两接触物体脱离与不脱离相互作用力为0(主要体现为两物体间的弹力为0)绳子断与不断绳中张力达到最大值绳子绷紧与松弛绳中张力为0存在摩擦力作用的两物体间发生相对滑动或相对静止静摩擦力达到最大2.极值问题：也就是指平衡问题中，力在变化过程中的最大值和最小值问题．解决这类问题常用以下三种方法：解析法根据物体的平衡条件列方程，在解方程时，采用数学知识求极值或者根据物理临界条件求极值图解法根据物体的平衡条件作出物体的受力分析图，画出平行四边形或矢量三角形进行动态分析，确定最大值或最小值极限法极限法是一种处理临界问题的有效方法，它是指通过恰当选取某个变化的物理量将问题推向极端(“极大”“极小”“极右”“极左”等)，从而把比较隐蔽的临界现象暴露出来，使问题明朗化，便于分析求解如图所示，物体的质量为2kg，两根轻绳AB和AC的一端连接于竖直墙上，另一端系于物体上，在物体上另施加一个方向与水平线成θ＝60°的拉力F，若要使两绳都能伸直，求拉力F的大小范围(g取10m/s2)．[解析]设绳AB弹力为F1，绳AC弹力为F2，A的受力情况如图，由平衡条件得Fsinθ＋F1sinθ－mg＝0Fcosθ－F2－F1cosθ＝0由上述两式得F＝mgsinθ－F1F＝F22cosθ＋mg2sinθ令F1＝0，得F最大值Fmax＝mgsinθ＝4033N令F2＝0，得F最小值Fmin＝mg2sinθ＝2033N综合得F的取值范围为2033N≤F≤4033N.[答案]2033N≤F≤4033N解决临界极值问题时应注意的问题(1)求解平衡中的临界问题和极值问题时，首先要正确地进行受力分析和变化过程分析，找出平衡的临界点和极值点．(2)临界条件必须在变化中去寻找，不能停留在一个状态来研究临界问题，而是要把某个物理量推向极端，即极大和极小，并依此做出科学的推理分析，从而给出判断或导出一般结论．一个人最多能提起质量m0＝20kg的重物．如图所示，在倾角θ＝15°的固定斜面上放置一物体(可视为质点)，物体与斜面间的动摩擦因数μ＝33.设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，图中F是人拖重物的力，求人能够向上拖动该重物质量的最大值m.已知sin15°＝6－24，cos15°＝6＋24.解析：设F与斜面的夹角为α时，人能拖动重物的最大质量为m，由平衡条件可得Fcosα－mgsin15°－μFN＝0①FN＋Fsinα－mgcos15°＝0②由已知可得F＝m0g③联立①②③式得m＝m0（cosα＋μsinα）sin15°＋μcos15°其中μ为定值，代入μ＝33得重物质量的最大值为202kg.答案：202kg