受力分析及物体的平衡授课教案doc.docx
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受力分析及物体的平衡授课教案doc
受力分析及平衡问题教案
基础知识
1、力:
力是物体与物体间的相互作用。
强调"相互"二字,既谈论一个力必须有两个物体。
(1)力的三要素:
大小、方向、作用点
(2)国际单位:
牛顿,N
(3)性质:
物质性,相互性,矢量性,同时性,独立性。
3、重力:
由于地球的吸引而使物体受到的力。
施力物(唯一):
地球。
(1)大小:
F=mgg=9.8N/kgz影响因素:
经纬度,高度。
(2)方向:
竖直向下。
(3)作用点:
重心:
一个物体的各部分都受到重力的作用,从效果上,我们可以认为各部分受到的力集中于一点,这一点叫做物体的重心。
判断物体重心的方法:
规则物体在几何中
心,不规则物体用悬挂法。
4、弹力:
发生形变的物体,由于要恢复原状,对与它接触的物体会产生力的作用。
(1)分类:
弹性形变和非弹性形变(从弹性限度来区分)。
(2)代表力:
拉力,压力,支持力,推理z张力,对于很多学生可能不理解为什么这些是弹力,要解释这些都是由于微小形变而产生的力。
弹簧弹力,由明显形变而产生的力。
(3)产生条件:
直接接触,有弹性形变,缺一不可!
(4)弹力的方向:
弹力的方向总是与作用在物体上使物体发生形变的外力方向相反。
几种常见物理模型的弹力:
弹力
方向
轻绳的弹力
沿绳子指向绳收缩的方向(拉力)
弹簧两端的弹力
沿弹簧指向弹簧恢复原状(收缩或拉伸)的
方向(拉力、推力)
面(或点)与面(或点)接触
垂直于接触面(或切面)指向受力物体(压
力、支持力)
杆的弹力(易错点)
需具体分析,能提供拉力或支持力
(5)弹力大小:
胡克定律:
F二kx(在弹性限度内)。
K为劲度系数,单位是N/m,k主要与弹簧的粗细、长度、材料、匝数有关。
5、摩擦力:
两个相互接触的物体,当他们发生相对运动或具有相对运动趋势的趋势时,就
会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的九
(1)摩擦力的分类:
静摩擦力、滑动摩擦力
(2)静摩擦力与滑动摩擦力的比较
静摩擦力
滑动摩擦力
定义区分
具有相对运动趋势(没有动)
具有相互运动(动了)
产生条件
1、接触面粗糙
2、接触处有弹力
3、两个物体间具有相对运动趋势(没
有动)
1、接触面粗糙
2、接触处有弹力
3、两个物体间有相对运动(已经动了)
大小
1、静摩擦力大小具体分析,范围在
0 2、最大静摩擦力Fm略大于滑动摩擦 力 F=mFnP为动摩擦因素,由接触面材料及粗糙程度决定, JjIrI 沿接触面与受力物体相对运动趋势方 沿接触面与受力物体相对运动方向相 向相反 反 作用效果 有可能是阻力(推东西没动),也有可能是助力(无相对滑动的传送带) 有可能是阻力(推东西动时)”也有可能是助力(有相对滑动的传送带) 作用点 同重心的等效思想类似,我们都等效为作用在物体的重心上 例题1: 如图,质量mA>mB的两物体A、B叠放在一起‘靠着竖直墙面.让它们由静止释 放,在沿粗糙墙面下落过程中,物体B的受力示意图是(A) 解析: 此题考查了物体基本的受力分析,其次,考查了弹力产生的条件,摩擦力产生的条件,首先,A和B—定都受重力的作用,其次来分析A或B受不受摩擦力的作用,摩擦力产生的条件是需要有正压力,A和B只是靠着墙,并没有对墙有压力的作用,所以A和B都不会受墙产生的摩擦力,如果这里分析不清楚,假设A和B收到摩擦力的作用,那么一定有正压力,根据牛顿第三定律,墙会给AB垂直于墙的力,那么AB就不能现在的运动情况,所以假设错误,AB没有受摩擦力作用,所以AB都是自由落体,只受各自重力作用,选A。 对于摩擦力概念不清晰的同学此题容易误选C或D 例题2: 长直木板的上表面的一端放有一个木块,如图所示,木板由水平位置缓慢向上转动 (即木板与水平面的夹角a增大),另一端不动,则木块受到的摩擦力Ff随角度a变化图象 下列图中的(B) 解析: 对物块进行受理分析,物块有相对斜面向下运动的趋势,所以除重力和弹力夕卜还会受到燕斜面向上的静摩擦力的作用,/二加gsina,当a逐渐增大在木块滑动之前,f逐渐增大,当木块开始滑动时,木块受到的静摩擦力变为滑动摩擦力,因为静摩擦力大于滑动摩擦力,所以f应该突然变小一点,此后f=]Limgcosa,a增大,f减小,所以B选项正确,此题考查了动态平衡下摩擦力大小的分析判断,同时又考查了滑动摩擦力小于最大静摩擦力这一知识点。 对概念不清楚的同学容易误选C 例题3: 下列关于摩擦力的说法,正确的是(CD) A.作用在物体上的滑动摩擦力只能使物体减速,不可能使物体加速 B.作用在物体上的静摩擦力只能使物体加速,不可能使物体减速 C•作用在物体上的滑动摩擦力既可能使物体减速,也可能使物体加速 D.作用在物体上的静摩擦力既可能使物体加速,也可能使物体减速 解析: 我们把摩擦力分为有利摩擦和有害摩擦的原因就是阻碍我们运动的我们叫有害,比如推箱子时的摩擦;帮助我们运动的我们叫有利,比如传动带模型。 在物体与传送带共速前,物体不能相对静止于传送带,产生的就是滑动摩擦,摩擦力的效果是使物体加速A错,C对;两个叠放的物体,当下方的物体减速运动而上面的物体没有相对滑动时,此时产生的静摩擦力就是使上面的物体减速,B错D对。 此题考查的是两种摩擦力的作用效果,考查的比较基础,也t匕较细致,难度比较适合基础差的同学。 二受力分析 受力分析的步骤 (1)确定研究对象 (2)隔离所研究的物体分析 (3)画岀受力分析图 (4)检查结果,可以用整体法或者是假设法 2、受力分析常用方法: (1)整体法与隔离法: 对于单个物体,受力情况简单,对于多个物体组成的系统,有时候 不好确定系统内的一个物体是否受某个力的作用,通常我们先用整体法,确定整体受的力或者运动情况,然后用隔离法分析单个物体。 (2)假设法: 如果不确定物体是否受某个力的作用,可以假设物体已经受那个力的作用,然后结合受力情况来分析物体其他的受力情况和运动情况,如果实现与假设相悖,那么假设不成立,物体不受那个力的作用,如果相同,则受力的作用。 3、受力分析时,分析力的步骤 (1)先分析场力(重力,电场力,磁场力) (2)再分析接触力(弹力、已知力) (3)然后分析摩擦力 4.受力分析应该注意的点: (1)只分析研究对象受到的力,而不分析研究对象对其他物体所施加的力 (2)每分析一个力,都应该找到所对应的施力物,如果没有施力物,则力一定不存在。 (3)分析完后结合受力分析看物体的运动状态,与题目给的是否一致,如果不一致,则漏力或多力。 (4)合力和分力不能同时作为物体受到的力。 5、弹力的有无及方向的判断 (1)弹力产生的条件: 两个物体相互接触;物体发生弹性形变。 两个条件缺一不可。 只接触而不发生形变是不会产生弹力的。 (2)判断是否发生形变的方法 对于形变明显的物体(如弹簧)可以直接判断,对于形变不明显的物体可以用下列三种方法 方法一: 假设法 假设将与研究对象接触的物体一走,判断硏究对象的运动状态是否发生改变,若运动状态不变,则此处弹力不存在,反之则弹力存在。 假设把下面的斜面拿走,小球肯会摆动,所以在接触到地方一定有弹力作用。 方法二: 替代法用细绳替代装置中的杆,看能不能维持原来的力学状态,如果能维持,则说明杆提供的是拉 力,否则,提供的是支持九 分析: 图中AO、B0为轻杆,用绳替换A0,原装置状态不变,说明AB对A点提供的是拉力;用绳替换B0,原状态不能维持,说明B0对0点提供的是支持力。 方法三: 状态法 由运动状态分析弹力(即物体的受力必须与物体的运动状态相符合)先假设该力存在,再依据物体的运动状态,由力的平衡(或牛顿第二定律)列方程,求解物体间的弹力,最后根据结果来判断。 举例分析: 升降机以a二g加速下降时物体受不受底板弹力作用? 假设存在,由牛顿第二定律得吨-N=ma,因为a二g,所以N二0,物体不受底板弹力作用。 三.力的平衡问题 1、平衡状态: 物体处于静止或者匀速直线运动的状态。 2、平衡的推论 (1)共点力作用下的平衡条件是: 物体所受合外力为零,如果正交分解,就是物体在各个方向上所受的合外力为零。 (2)无论是两个力还是多个力平衡,有一个小技巧,已知一个力,另外的力的合力总是与这个等大、反向。 (3)如果三个非平行力使一个物体处于平衡状态,则这三个力的矢量必能构成一个首尾衔 接的封闭三角形。 3.单个物体的平衡问题 (1)物体受三个力的作用: 其中两个力方向固定,另外一个力大小和方向都会发生改变。 可以用矢量三角形法来求解。 例4.如图1所示,一个重力G的匀质球放在光滑斜面上,斜面倾角为。 在斜面上有一光滑的不计厚度的木板挡住球,使之处于静止状态。 今使板与斜面的夹角0缓慢增大,问: 在此过程中,挡板和斜面对球的压力大小如何变化? 解析: 取球为研究对象,如图所示,球受重力G、斜面支持力月、挡板支持力因为球始终处于平衡状态,故三个力的合力始终为零,将三个力矢量构成封闭的三角形。 H的方向不变,但大小在变,始终与斜面垂直。 〈的大小、方向均改变,随着挡板逆时针转动时,Fz的方向也逆时针转动,动态矢量三角形图中一画出的一系列虚线表示变化的Fi,并且力的大<J闲虚线的长度成正比,虚线越长,力就越大,所以可得,局先减小后增大,斤随0增大而始终减小,且当虚线垂直于F1的时候,线最短,也就是变力最小的时候。 例题5: 一轻杆B0,其0端用光滑较链较于固定竖直杆A0上,B端挂一重物,且系一细绳,细绳跨过杆顶A处的光滑小滑轮,用力F拉住,如图所示.现将细绳缓慢往左拉,使杆B0与杆A0间的夹角0逐渐减小,则在此过程中,拉力F及杆B0所受压力Fn的大小变 化情况是() A.FN先减小,后增大 C•F先减小,后增大 解题步骤: 第一: 选定B点为研究又嫌;第二: 分析B点所受的各个力,并画出矢量三角形;第三: 应用相似三角形法分析拉力以及压力的变化情况。 解析: 以B点为研究对象,受力分析如图所以,它受三个力的作用而处于动态平衡状态,下端绳子的弹力等于悬挂物体的重力mg,还有斜绳AB上的弹力F,由于0点是光滑较链,因此杆施加的弹力FN沿着杆,根据图形的标量三角形和力的矢量三角形相似,可得比 例且=竺,其中OA、0B长度不变,AB逐渐减小,重力mg大小不变,可知F逐渐F2AO 减小zFN不变,选项B正确。 (2)物体受三个以上力的作用时 采用正交分解的方法: 因为物体处于平衡状态,正交分解后使X和Y方向上的合力都为零, 即满足了动态平衡的要求。 例题6: 质量为1kg的小球套在与水平面成37。 角的固定硬杆上,现用与杆和重力同平面且垂直于杆向上的拉力F拉小球,如图所示,但F=20N时小球处于静止状态,设小球与杆间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知sin37°=0.6,cos37。 二0.8,取g=10m/s2jy(A) A小球与杆间的动摩擦因数不小于0.5 B.小球与杆间的动摩擦因数等于3/4 C.当力F增大时,小球受到的摩擦力增大 D.当力F减小时,小球受到的摩擦力一定减小 解析: 由受力分析得,小球受到重力,弹力,拉力,摩擦力四个力的作用,如图所示,不适合用矢量三角形来解,所以把力沿平行于斜面方向与垂直于斜面方向正交分解。 由平衡条件得Ff-mgsin37°=0,F-FN-mgcos37。 =0,解得耳=6N,厲=12N,由耳二“仏,得〃=字=0.5,所以小球与杆间动摩擦因数必须满足〃》0.5,A对B错。 Fn 当力F增大时,杆对小球的弹力增大,最大静摩擦力增大,因此小球仍静止在杆上, Ff-mgsin37°=0仍然不变,摩擦力依旧为6N,C错;当力F减小时,小球可能沿杆下 滑,也可能仍静止,因此摩擦力可能减小”也可能不变,D错。 所以选A 4.多个物体的平衡问题 多个物体指两个或两个以上的物体组成的物体系统,一般有连接体和叠加体两种模型,处理的基本方法有整体法和隔离法。 (1)连接体模型: 例题7: 斜面ABC固定在水平面上,AB面光滑,BC面粗糙,AB长度是BC长度的两倍。 三个相同木块a、b、c通过轻质光滑定滑轮用细线相连,细线平行于斜面,如图所示。 用手按住c,使其静止在BC上;现撤去c所受手的作用力,则下列关于木块c的判断,正确的是(C) A.沿BC面下滑 B.沿BC面上滑 C.仍静止,所受摩擦力为零 D.仍静止,所受摩擦力不为零 解析: 解题步骤: 第一: 用整体法对木块a,b组成的系统进行受力分析,第二: 应用隔离法 分析c木块的受力情况,确走c受到的合力;第三: 分析c的运动情况。 设AB面的倾角为a,BC面的倾角为p,假设撤去c所受手的力后木块a、b、c仍静止,对 木块a、b组成的系统受力分析可得绳的拉力T=2mgsina,对木块c受力分析可得木块c 所受重力沿BC面向下的分力等于mgsinp,在MBC中,由正弦定理得先=鬃,又sin0AB AB二2BC,所以sinp=2sina;因此,木块C沿BC面方向的合力为零,所以木块c仍静止,所受摩擦力为零,c正确。 例题8: 图所示,两小球A,B通过0点处光滑的小滑轮用细线相连,小球A置于光滑半 圆柱上,小球B用水平线拉着系于竖直板上,两球均处于静止状态,已知0点在半圆柱截面圆心01的正上方,OA与竖直方向成30。 角,其长度与圆柱底面圆的半径相等,OA丄 OB,则A,B两球的质量比为() 解析: 小球A、B的受力如图所示, 对小球A: mAg.T、N平移后组合成的力三角形与2AO1相似,由0A长与圆柱底面圆 的半径相等,zA001=30°,所以T=^-mAg;对小球B有丁3$60。 =加朋,所以A、 ■' B两球的质量比为仏二出3,B正确。 叫1 例题9: 如图所示z—光滑半圆形碗固定在水平面上,质量为ml二lg的小球用轻绳跨过碗口并连接物体m2和m3,平衡时碗内小球恰好与碗之间没有弹力,两绳与水平方向夹角分 别为53。 、37°,则m2,m3的质量分别为(已知sin53°=0.8,cos53°=0.6)() A.0.8g,0.6g C.0.6g,0.8g B.0.75g,1.25g D.1.25g,0.75g 解析: 对碗内的小球ml受力分析,受重力、两个细线的两个拉力,由于碗边缘光滑,故相当于动滑轮,故细线对物体m2的拉力等于m2g,细线对物体ml的拉力等于mlg,如图 根据由平衡条件可得,两个拉力的合力与重力等值、反向、共线,有 G2=Glcos37°,G3=Glsin37° 故: ml: m2: m3=5: 4: 3 得: m2=0.8gm3=0.6gzA正确。 (2)叠加体模型 例题10: 如图所示,质量为m的物体放在质量为M、倾角为6的斜面体上,斜面体置于粗糙的水平地面上,用平行于斜面的力F拉物体m使其沿斜面向下匀速运动,M始终静止,则下列说法正确的是(B) A.斜面体对物体的作用力竖直向上 B.地面对M的摩擦力大小为FcosQ C地面对M的支持力为(M+m)g D物体m对M的作用力的大小为mg 解析: 解题步骤: 第一: 由整体法分析地面对斜面的摩擦力和支持力;第二: 由隔离法分析物体对斜面的摩擦力及斜面对物体的作用力。 分析: 由于斜面体和物体都处于平衡状态,将斜面体和物体看成f整体,由受力情况可知,地面对斜面体的摩擦力大小为FcosQ,地面对斜面体的支持力大小为(M+m)g+Fsin8,所以B对,C错;隔离物体进行受力分析,物体对斜面体的摩擦力大小为F+mgsin0,所以D错;将斜面体作为施力物体,则斜面体对物体的作用力即为物体受到的支持力与摩擦力的合力,由力的合成可知斜面体对物体的作用力与物体的重力和F的合力大小相等,方向相反,故斜面体对物体的作用力不在竖直方向上,A错,所以选B。 例题11: 如图所示,质量为M的斜面体A放在粗糙水平面上,其倾角为6。 用轻绳栓住质 固定在竖直墙面上,不计木块B与斜面间的摩擦,斜面体与墙不接触,整个系统处于静止 状态。 则些列说法正确的是() A.水平面对斜面体没有摩擦力作用 B.绳的拉力等于mlgsinQ C斜面体对水平面的压力等于Mg+mlg+m2g D.木块B对斜面体的压力等于(ml+m2)gcos6 解析: 选整体为研究对象,因为绳的拉力在水平方向和竖直方向都有分量,所以水平面对斜面体有摩擦力的作用,斜面体对水平面的压力小于Mg+mlg+m2g,A、C错误;由于不计B与斜面间的摩擦,则绳上拉力为(ml4-m2)gsine,B错误,D正确 四、课堂小结 1、受力分析的顺序,先场力(重力、电场力、磁场力),再分析接触力(弹力,主动力),然后分析摩擦力,最后分析其他力 2、在讨论弹力时,首先要看有没有在弹性限度范围内,再进行后续分析 3、要区分清楚静摩擦力和滑动摩擦力的产生条件,理解什么是趋势(要变化而没有变),会计算摩擦力的大小 4、解决平衡问题时,经常用整体法与隔离法,整体法分析外力,隔离法分析内力;然后还经常用到数学里面相似三角形的关系,在受力分析完后要灵活运用。 5、连接体通常弹力时解题关键,弄清各个物体弹力间的关系;叠加体问题物体间的摩擦力是关键。
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