专题03 力、重力、弹力、摩擦力——2022年高考物理一轮重难点复习（解析版）

专题03 力、重力、弹力、摩擦力

     重点知识讲解

一、力的基本概念

1.力的定义:力是物体对物体的作用,在国际单位制中,力的单位是牛顿,简称牛,符号是N.

2.力的三要素:大小､方向､作用点.

3.力的基本特征

(1)力的物质性:力是物体对物体的作用,一个物体受到力的作用,一定有另一个物体对它施加这种作用,力是不能离开物体而独立存在的.

(2)力的相互性:力的作用是相互的,任何两个物体之间力的作用总是相互的,施力物体同时也一定是受力物体.

(3)力的矢量性:力是矢量,既有大小,也有方向,物理学中把既有大小又有方向的物理量称为矢量.

(4)力的独立性:一个力作用于某一物体上产生的效果,与这个物体是否同时受其他力无关.

4．力的分类

按性质分：重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力……

按效果分：动力、阻力、压力、支持力、向心力……

按作用方式分 

按研究对象分：内力、外力.

5．四种基本相互作用

引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用.

二、重力

1.重力的定义

由于地球的吸引而使物体受到的力叫重力.实际上重力是地球对物体引力的一个分力,而引力的另一个分力提供物体随地球自转所需的向心力.

说明:①地球表面附近的物体都受到重力的作用.

②重力是由于地球的吸引而产生的,但不能说重力就是地球的吸引力.

③重力的施力物体就是地球.

2.重力的大小

①由G=mg计算,g=9.8 N/kg.

②用弹簧测力计测量,物体处于平衡状态(即静止或匀速运动状态),弹簧测力计的示数等于重力的大小.

说明:①在地球表面上不同的地方,物体的重力大小是不同的,纬度越高,物体的重力越大,因而同一物体,在两极比赤道受到的重力大.

②一个物体的重力不受运动状态的影响,与是否还受其他力的作用也无关系.

③在处理物理问题时,在地球表面和在地球附近某一高度的地方,一般认为同一物体受的重力不变.

3.重力的方向:竖直向下(即垂直于水平面向下).

说明:①重力的方向沿铅垂线方向,与水平面垂直,不一定指向地心,但在两极和在赤道上的物体,所受重力的方向指向地心.

②重力的方向不受其他作用力的影响,与运动状态也没有关系.

4.重力和质量的关系

说明:重力的大小由物体本身的质量和所处位置的重力加速度决定,与其他因素都没有关系.

三、弹力

1.弹力的定义

发生弹性形变的物体,由于要恢复原状,要对与它接触的物体产生力的作用,这种力称为弹力.如图所示,用手向右拉弹簧,弹簧因形变(伸长)而产生弹力F,它作用在手上,方向向左.因此,弹力的施力者是发生弹性形变的物体,受力者是使它发生弹性形变的物体.

2.弹力的产生条件:

①两物体直接接触.②两物体发生弹性形变.

3.判断弹力有无的方法

弹力的方向总是跟形变的方向相反,但是在很多情况下,接触处的形变不明显,这就给弹力是否存在的判定带来了困难.通常用以下两种办法可以解决:

(1)假设法:

即假设接触处有弹力,看物体的运动状态是否与当前情况一致,若一致,则假设正确,接触处有弹力;若不一致,则假设错误,接触处无弹力.

但是“假设法”有一定的局限性,只对较简单的情况适用.我们深入思考弹力产生的原因可知,弹力是被动出现的,它属于被动力.弹力是否存在,是由主动力和运动状态决定的.

(2)分析物体所受的主动力和运动状态,是判断弹力有或无的金钥匙.

分析主动力,就是分析沿弹力所在的直线上,除弹力以外其他力的合力,看这些力的合力是否满足题目给定的状态,若满足,则不存在弹力;若不满足,则存在弹力.

4.弹力的大小:与物体的形变程度有关,形变量越大,产生的弹力越大;形变量越小,产生的弹力越小.

一般情况下,弹力的大小可以利用平衡条件或牛顿定律计算出来;对于弹簧的弹力,在弹性限度内遵循胡克定律.

5.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的方向相反,或者就是物体恢复原状的趋势的方向.

弹力是接触力，不同的物体接触，弹力方向的判断方法不同：例如，绳子只能产生拉力，物体受绳子拉力的方向总是沿绳子指向其收缩的方向.桌面产生的支持力的方向总是垂直于支持面指向被支持的物体.杆的弹力比较复杂，不一定沿杆也不一定垂直于杆，需根据受力情况或物体运动状态而定.

四、摩擦力

1．摩擦力的定义

两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时，就会在接触面上产生阻碍相对运动的力，这种力叫做摩擦力.

2．产生条件

（1）相互接触的物体间有弹力；（2）接触面粗糙；（3）接触面间有相对运动或相对运动趋势.这三个条件缺一不可.

3．静摩擦力

（1）定义：两个相互接触的物体间只有相对运动的趋势，而没有相对运动，这时的摩擦力叫做静摩擦力.

（2）静摩擦力的方向：总是沿着接触面，并且跟物体相对运动趋势的方向相反.

（3）静摩擦力的特点：静摩擦力与外力有关，在两物体接触面上的弹力一定的情况下，静摩擦力有一个最大值，叫做最大静摩擦力，两物体间实际的静摩擦力F在零与最大静摩擦力之间，即.

4．滑动摩擦力

（1）定义：当一个物体在另一个物体表面滑动时，会受到另一个物体阻碍它滑动的力，这种力叫做滑动摩擦力.

（2）滑动摩擦力的方向：总是沿着接触面，并且跟物体的相对运动的方向相反.

（3）滑动摩擦力的大小跟正压力成正比.用表示正压力的大小，则有，其中是比例常数（没有单位），叫做动摩擦因数.

五、关于摩擦力的几点说明

1.静摩擦力的有无及方向的确定方法

判断物体间有无静摩擦力及确定静摩擦力的方向时常用的方法有三种：

（1）根据“静摩擦力与物体相对运动的趋势方向相反”来判断.关键是搞清“相对”的含义.在具体应用时，可先假定接触面光滑，如果这时物体与接触面发生相对滑动，可知物体与接触面有相对运动趋势.而相对运动趋势方向即为假定光滑时物体相对接触面运动的方向.

（2）根据摩擦力的效果来判断：如平衡其他力、做动力、做阻力、提供向心力等来判断其方向；再根据平衡条件或牛顿运动定律来计算大小.用牛顿第二定律判断，关键是先判断物体的运动状态（即加速度方向），再利用牛顿第二定律（）确定合力的方向，然后受力分析判定静摩擦力的方向.

如图中物块A和B在外力F作用下一起沿水平面向右以加速度a做匀加速直线运动时，摩擦力使A物体产生加速度，大小为ma，方向水平向右.

（3）利用牛顿第三定律来判断．此法关键是抓住“摩擦力是成对出现的”，先确定受力较少的物体受到的摩擦力方向，再确定另一物体受到的摩擦力方向.

2.静摩擦力大小的确定

静摩擦力大小与压力无关，但其最大值与压力有关，静摩擦力可以在一定范围内调整大小使物体保持相对静止.其大小可以用下面两种方法判断：

（1）物体处于平衡状态时利用力的平衡条件来判断其大小；即静摩擦力的大小等于与之平衡的外力大小.

（2）物体有加速度时，若只有摩擦力，则.例如匀速转动的圆盘上物块靠摩擦力提供向心力产生向心加速度.若还受其他力，则，先求合力再求摩擦力.这种与运动状态有关的特点，与滑动摩擦力不同.

3.对滑动摩擦力公式的进一步理解

（1）叫动摩擦因数，它与接触面的材料、表面的粗糙程度有关，无单位.

（2）滑动摩擦力F的大小与物体的运动速度无关，与接触面的大小也无关.

（3）公式中的是两个物体接触面间的压力，称为正压力（垂直于接触面的力），性质上属于弹力，它不是物体的重力，大小也不一定等于物体的重力，许多情况下需结合物体的平衡条件加以确定.

六、常见三种性质的力的比较

注意：压力与重力易混淆，误认为压力就是重力，或者知道压力和重力不是同一个力，但误认为二者总是等大，至少水平支撑面的压力与重力等大.其实这些认识都是错的，压力与重力等大的条件是物体要静止放在水平支撑面上（或与水平支撑面一起做匀速直线运动），并且不能受到在竖直方向有分力的其他力的作用.分清压力和重力十分重要，例如：滑动摩擦力公式中的是正压力，不是重力.又如用弹簧秤测量物体的重力，弹簧秤反映的是其产生的弹力大小，欲让弹簧秤能测出重力，物体必须静止竖直悬挂在弹簧秤下.

     典型例题精析

1．（2021·广西南宁二中高三二模）如图所示，质量分别为m1、m2的两物体甲、乙位于相邻的两水平台阶上，中间用轻弹簧相连，弹簧与竖直方向夹角为θ。在乙右端施加水平拉力F，使甲、乙均处于静止状态。已知重力加速度为g，乙表面光滑，则下列说法正确的是（　　）

A．弹簧弹力的大小为

B．地面对甲的摩擦力大小为F

C．甲的表面可能光滑

D．m1与m2一定相等

【答案】B

【详解】

BC．对两物体及弹簧整体受力分析，整体受重力、支持力、拉力，要使整体处于平衡，则水平方向一定有向左的摩擦力作用在甲上，且大小与F相同，C错误B正确

AD．再对甲受力分析可知，弹力水平方向的分力应等于摩擦力，即等于F，故弹力

F弹=

因竖直方向上地面对甲、乙的支持力大小不明确，无法确定两物体的质量关系，也无法求出弹簧弹力与重力的关系，AD错误。

故选B。

2．（2021·湖北黄冈中学高三三模）水上滑翔伞是一项很受青年人喜爱的水上活动。如图1所示，滑翔伞由专门的游艇牵引，稳定时做匀速直线运动，游客可以在空中体验迎风飞翔的感觉。为了研究这一情境中的受力问题，可以将悬挂座椅的结点作为研究对象，简化为如图2所示的模型，结点受到牵引绳、滑翔伞和座椅施加的三个作用力F1、F2和F3，其中F1斜向左下方，F2斜向右上方。若滑翔伞在水平方向受到的空气阻力与水平速度成正比，在竖直方向上受到的空气作用力保持不变。现提高游艇速度，稳定时则（　　）

A．F1一定变小

B．F2一定变大

C．F2可能小于F3

D．F2和F3的合力方向可能沿水平向右

【答案】B

【详解】

ABC．设F1和F2与竖直方向的夹角分别为α、β，水平方向

因当速度变大时，空气阻力变大，即F2的水平分量变大，则F2变大，F1也一定变大；

竖直方向

则 F2一定大于F3；选项AC错误，B正确；

D． 由于三力平衡，则F1和F2的合力等于F3，F2和F3的合力方向与F1等大反向，不可能沿水平向右，选项D错误。

故选B。

3．（2021·山西高三二模）农运会的挑担子比赛中，甲、乙两位选手用同样的扁担（竹竿）挑起同样的重物沿水平方向匀速向前跑动。图中扁担始终保持水平，且与重物处于同一竖直平面内，甲用水平方向的力控制扁担，而乙两手用大小相等的力平行扁担水平反向拉绳保持扁担稳定。下列说法正确的是（　　）

A．两位选手受到扁担的压力值相等

B．甲受到扁担的压力值大于乙受到扁担的压力值

C．若乙仅增大手对绳的拉力值，扁担对他的压力值将会增大

D．若乙仅将手对绳的拉力改为斜向上方向，扁担对他的压力值将会增大

【答案】A

【详解】

A B．因甲、乙两选手都是以水平方向的力作用于扁担或绳子，所以扁担、绳子和重物这个整体在竖直方向上只受到重力和选手对扁担的支持力，所以两位选手对扁担在竖直方向上的支持力大小相等，由牛顿第三定律可知，两位选手受到扁担的压力值相等，A正确，B错误；

C．由以上分析可知，若乙仅增大手对绳的拉力值，其在竖直方向受力情况不变，C错误；

D．当乙以水平方向拉绳子时，选手乙对扁担的支持力大小是重物的重力，若乙仅将手对绳的拉力改为斜向上方向时，此拉力在竖直向上方向有分力，这个分力作用，减小了选手对扁担的支持力，所以扁担对他的压力值将会减小，D错误。

故选A。

4．（2021·重庆市长寿中学校高三月考）小明在庭院里用几根轻杆搭制了一个简易的晾衣架，如图所示，先用三根相同的轻杆绑成一个正三棱锥，每根杆与竖直方向均成角，再用一根轻杆横跨在两个三棱锥上。现在横杆上挂上的衣物，则（杆的质量忽略不计）（　　）

A．每根与地面接触的杆受到地面的支持力为

B．每根与地面接触的杆受到地面的摩擦力为

C．若将每根杆与竖直方向夹角变小，则每根杆受到的地面的支持力将变小

D．若将每根杆与竖直方向夹角变小，则每根杆受到的地面的摩擦力将变大

【答案】B

【详解】

A．每根与地面接触的杆受到地面的支持力为衣物重量的六分之一，即

故A错误；

B．每根与地面接触的杆与地面之间的摩擦力为

CD．若将每根杆与竖直方向夹角变小，则每根杆受到的地面的支持力不变，摩擦力将变小，故C、D错误。

故选B。

5．（2021·天津市新华中学高三月考）如图所示，一台空调外机用两个三角形支架固定在外墙上重心恰好在支架横和斜梁的连接点O的上方，空调外机对O点的压力大小为F。横梁AO水平，斜梁BO跟横梁的夹角为30°且O、A、B均通过转轴相连，忽略支架的重力，下列说法正确的是（　　）

A．横梁OA对O点的拉力大小为

B．斜梁OB对O点的压力大小为2F

C．保持O点位置不变，若把斜加长一点，则斜梁OB的压力将增大

D．保持O点位置不变，若把斜梁加长一点，则横梁OA的拉力将减小

【答案】BD

【详解】

AB．设斜梁对O点的支持力为，横梁对O点的拉力为，对O点受力分析由平衡条件得

带入解得

故B正确，A错误；

CD．保持O点位置不变，若把斜梁加长，则此时角度变大，变大，变大，由

 可得横梁对O点的拉力减小，斜梁对O的支持力减小，故D正确，C错误。

故选BD。

6．（2021·湖北武汉市·高三月考）用三根轻质细线、、将质量相同的两个小球1和2悬挂，当小球静止时，细线与竖直方向的夹角为，细线水平，如图所示。保持细线与竖直方向的夹角不变，将细线逆时针缓慢转过的过程中（　　）

A．细线上的张力逐渐减小

B．细线上的张力先减小后增大

C．细线上的张力逐渐减小

D．细线上的张力先减小后增大

【答案】AD

【详解】

CD．对两小球的整体受力分析，如图1所示，细线逆时针缓慢转过的过程中，构成动态平衡，由图可知，代表力的边长变化即为力的大小变化，则细线上的张力先减小后增大，故C错误，D正确；

AB．由整体的平衡可推得细线a上的张力一直减小，对小球1受力分析，如图2所示，细线b逐渐变为水平，张力逐渐减小，故A正确，B错误。

故选AD。

7．（2021·北京市十一学校高三三模）图甲为“验证力的平行四边形定则”的实验装置图。

（1）下面是实验的主要操作步骤：

a．将橡皮筋的一端固定在木板上的A点，另一端拴上两根绳套，每根绳套分别连着一个弹簧测力计；

b．沿着两个方向拉弹簧测力计，将橡皮筋的活动端拉到某一位置，将此位置标记为O点，并记录两个拉力F1、F2的大小及方向；

c．再用一个弹簧测力计将橡皮筋的活动端仍拉至O点，记录测力计拉力的大小及方向。图乙是在白纸上根据实验结果作出的力的图示，其中表示力F1和F2合力的理论值________（填“F”或“F'”）；

（2）本实验采用的科学方法是___________；

A．理想实验法B．等效替代法C．控制变量法

（3）本实验中F1、F2的夹角应该是________；

A．大一些好B．适当的大小C．小一些更好

（4）本实验中若用细长的橡皮筋替代两根绳套，你认为该办法是________的。（填“可行”或“不可行”）

【答案】F'    B    B    可行   

【详解】

（1）[1]由平行四边形法则，合力为平行四边形的对角线，故理论值应该为F'；

（2）[2]本实验中用两个弹簧秤拉橡皮筋时的结点与用一个弹簧秤拉橡皮筋的位置相同，故本实验用的科学方法是等效替代法，故B正确，AC错误；

（3）[3]在实验中F1、F2的夹角应该取适当的大小，故B正确，AC错误；

（4）[4]由于O点的作用效果相同，将两个细绳套换成两根橡皮筋，不会影响实验结果，所以是可行的。

8．（2021·浙江省杭州第二中学高三月考）为探究“合力与分力的关系”小鲁同学设计了如下实验。如图甲在相距为的两根竖直杆之间用一根长为的不可伸长的轻绳连接（打结）一物体，在绳的两端分别连接两个拉力传感器和，保持的位置不变，且高于，不计拉力传感器的重力。改变悬挂点到点的距离（不相对滑动），测得两传感器的拉力大小随的变化图像如下图乙中Ⅰ、Ⅱ所示，试回答下列问题。

（1）点的轨迹在一个上____________（填“圆”、“抛物线”或“椭圆”）

（2）图线Ⅰ表示的是_____________处传感器的拉力（填“”或“”）

（3）根据图像可求得物体的重力为______________（用图中传感器的读数，及绳长和两杆间距表示）

【答案】椭圆           

【详解】

（１[1]椭圆是到两焦点距离之和等于常数的所有点的集合，题中+为绳长L是常数，所以C点的轨迹是椭圆；

（2）[2]图像中Ⅰ、Ⅱ交点即为两绳拉力相等的位置，此时选取结点C为研究对象，受力如下图所示

水平方向

当时，，当C点继续向右移动如下图所示

增大，减小，水平方向还是有

由上式可知会增大，减小，结合题图，在图像相交后，Ⅰ线力大于Ⅱ线力，故Ⅰ线表示Q处传感器的力。

（3）[3] 图像中Ⅰ、Ⅱ交点可以读出此时P、Q处拉力都为4.3N，此时CP、CQ与竖直方向的夹角相等延长QC到由几何关系有

过Q做水平线与左杆交于A点，在中有

C点受力平衡有

整理得

9．（2022·全国高三专题练习）如图所示，质量M=2kg的木块A套在水平杆上，并用轻绳将木块与质量m=kg的小球B相连。今用与水平方向成α=30°角的力F=10N，拉着小球带动木块一起向右匀速运动，运动中M、m相对位置保持不变，g取10m/s2求：

（1）运动过程中轻绳与水平方向的夹角θ；

（2）木块与水平杆间的动摩擦因数μ；

（3）当α为多大时，使小球和木块一起向右匀速运动的拉力最小？

【答案】（1）30°；（2）；（3）arctan

【详解】

（1）对B进行受力分析

设细绳对B的拉力为T，由平衡条件可得

Fcos30°=Tcosθ、Fsin30°＋Tsinθ=mg

解得

T=10N，tanθ=

即

θ=30°

（2）对A进行受力分析，由平衡条件有

Tsinθ＋Mg=FN、Tcosθ=μFN

解得

μ=

（3）对A、B进行受力分析，由平衡条件有

Fsinα＋FN=(M＋m）g，Fcosα=μFN

解得

F=

令sinβ=，cosβ=，即

tanβ=

则

F=

显然，当α＋β=90°时，F有最小值，所以

tanα=μ=

时，即

α=arctan

F的值最小。

10．（2022·全国高三专题练习）某电视台儿童娱乐节目——“顺丰快递”环节如图所示，水平缆线上套一滑环，一儿童双手拉住滑环把手，在水平强风力的作用下自动向右匀速滑行。已知滑环质量m环=20kg，儿童质量m人=40kg，运动过程中，儿童双臂始终平行且保持与竖直方向夹角θ=37°，重力加速度g=10m/s2，cos37°=0.8，求：

（1）儿童受到的水平风力大小；

（2）滑环与水平缆绳间的动摩擦因数。

【答案】（1）300N；（2）0.5

【详解】

（1）对儿童受力分析，如图甲所示

根据平衡条件可得

F=m人gtanθ

代入数据得

F=300N

（2）选取滑环和儿童整体为研究对象，受力如图乙所示

根据平衡条件得

FN=(m环＋m人）g

由匀速运动可知

F=Ff

且Ff=μFN，解得

μ=

代入数据得

μ=0.5