新教材高中物理教科版必修第一册第三章相互作用章末素养培优（课件+学案）

章末素养培优

核心素养(一)——物理观念

1．重力和重心

(1)重力

①定义：由于地球的吸引而使物体受到的力．

②方向：竖直向下．

③大小：G＝mg.

(2)重心：重心是重力的等效作用点．

①形状规则、质量分布均匀的物体的重心在其几何中心处．

②物体的重心不一定在物体上，如质量分布均匀的圆环的重心不在圆环上．

2．弹力和摩擦力

3.胡克定律

(1)内容：在弹性限度内，弹簧弹力F的大小和弹簧的伸长(或缩短)量成正比

(2)表达式：F＝kx.

(3)劲度系数：k为弹簧的劲度系数，它只与弹簧自身的性质有关，单位是N/m.

4．力的合成与分解

(1)合力与分力：如果力F的作用效果与力F1和F2共同作用的效果相同，我们就称F为F1和F2的合力，F1和F2为F的分力．

(2)力的合成与分解遵从的规律：平行四边形定则或三角形定则．

(3)力的合成

①概念：求几个力的合力的过程叫作力的合成．

②两个互成角度的力的合力范围：|F1－F2|≤F≤F1＋F2.

(4)力的分解

①概念：求一个已知力的分力叫作力的分解(力的分解与力的合成互为逆运算).

②分解方法：

a．在实际问题中，通常将已知力按力产生的实际作用效果分解．

b．为方便某些问题的研究，在很多问题中都采用正交分解法．

5．共点力及其平衡

(1)作用于物体上同一点，或者作用在同一个物体上且力的作用线相交于一点的几个力叫作共点力．

(2)物体保持静止或匀速直线运动状态，这个物体就处于平衡状态．

(3)共点力作用下的物体平衡的条件：物体所受的合外力为零，即F合＝0，若采用正交分解法求解平衡问题，则平衡条件应为Fx合＝0，Fy合＝0.

【典例示范】

例1 2020年初，新型冠状病毒肺炎疫情严重，全国人民积极捐赠物资支援疫情严重地区，使用自动搬运车能够减少人力劳动，提高工作效率，减少人员接触，降低传染风险．如图所示，物流公司正在用自动搬运车运送抗疫物资，自动搬运车在水平地面上沿直线匀速前进，物资受到的空气阻力与速度成正比，下列说法正确的是(　　)

A．自动搬运车对物资的作用力竖直向上

B．自动搬运车对物资的作用力大小大于空气阻力大小

C．不管速度多大，自动搬运车对物资的作用力大小相同

D．不管速度多大，自动搬运车对物资的摩擦力大小相同

例2如图所示，对称晾挂在光滑等腰三角形衣架上的衣服质量为M，衣架顶角为120˚，重力加速度为g，则衣架右侧对衣服的作用力大小为(　　)

A．Mg  B．Mg

C．Mg   D．Mg

核心素养(二)——科学思维

1．假设法

本章涉及的假设法有以下两种情况：

(1)假设某力存在(或不存在)，在此基础上判断物体的状态是否与题设条件一致．若一致，则假设成立，即此力存在(或不存在)；若不一致，则假设不成立，即此力不存在(或存在).

(2)假设问题正处于题设的临界状态，并以此为依据，展开讨论，以寻找解决问题的突破口．

2．整体法与隔离法

分析物体的受力情况时，将整体法与隔离法配合使用，往往会使问题的解决更准确，更快捷．

(1)整体法是以物体系统为研究对象，从整体或全过程去把握物理现象的本质和规律．在运用整体法对物体系统进行受力分析时，不需考虑内力．

(2)隔离法就是从整个系统中将某一部分物体隔离出来，然后单独分析被隔离部分的受力情况和运动情况，从而把一个复杂的问题转化为若干个简单的小问题．

3．图解法

图解法是力学中常用的解题方法之一，就其解决问题的性质而言，有以下两种情况：

(1)进行力的合成或分解的运算，这种情况下要把力的三要素都表示出来，即作出力的图示．

①用图解法可以求两个共点力的合力，也可以在力的分解中求分力；

②用多边形法求合力，也是用图解法求合力的一个具体应用．

(2)在解决力的分解的动态平衡问题时，要根据分力或合力的变化，作出力的平行四边形或三角形，从而判断力的变化趋势或求极值．

4．正交分解法

(1)正交分解法就是把一个矢量分解到两个互相垂直的坐标轴(x轴和y轴)上，使每个坐标轴上的分量都可以进行代数运算，从而将矢量运算转化为代数运算的方法，正交分解法也是平行四边形定则的应用．

(2)用正交分解法求多个共点力的合力的步骤：先将各个力分解到两坐标轴上，求出这两个坐标轴上的合力后，再应用平行四边形定则进行合成，以达到化繁为简的目的．

(3)用正交分解法解决共点力平衡问题时，根据Fx合＝0和Fy合＝0列方程．

【典例示范】

例3如图所示，电线AB下端有一盏电灯，用绳子BC将其拉离墙壁，在保证电线AB与竖直墙壁的夹角θ不变的情况下，使绳子BC由水平方向逐渐向上转动至竖直方向，则绳子BC上的拉力的变化情况是(　　)

A．逐渐增大  B．逐渐减小

C．先增大后减小 D．先减小后增大

例4 (多选)如图所示，F1＝2N，F2＝1N，分别作用在B、A两个叠放的物体上，A、B相对静止，一起做匀速直线运动．已知两物体质量mA＝mB＝1kg，重力加速度g＝10m/s2，则以下说法正确的是(　　)

A．A、B两物体组成的系统所受的合外力为1N，方向水平向右

B．A受到B的摩擦力大小为1N，方向水平向右

C．B与地面之间的动摩擦因数为0.05

D．A、B两物体组成的系统所受的合外力为零

核心素养(三)——科学探究

动摩擦因数的测定

1．实验方案及结论：

方案一　利用砝码和弹簧测力计

(1)原理和步骤：如图，向砝码盘C内加减砝码，轻推铁块P，使其恰能在水平木板B上向左做匀速滑动．用弹簧测力计测定P受到的重力GP和C(包括砝码)受到的重力GC，则P所受的滑动摩擦力f＝GC，且f＝μN、N＝GP，可求出P、B间的动摩擦因数．

(2)结论：μ＝

方案二　利用木板和弹簧测力计(拉铁块)

(1)原理和步骤：如图，使木板静止在水平桌面上，用水平力拉弹簧测力计，使铁块P向右匀速运动，读出此时弹簧测力计的读数F，再用弹簧测力计测出铁块P的重力G，由二力平衡条件可知，N＝G，且f＝μN、f＝F，可求出P、B间的动摩擦因数．

(2)结论：μ＝

方案三　利用木板和弹簧测力计(拉木板)

(1)原理和步骤：如图，在水平拉力F拉作用下，只要使木板B相对铁块P滑动，弹簧测力计的读数F与P、B间的滑动摩擦力f相等，再用弹簧测力计测出铁块P的重力G，由f＝F、f＝μN、N＝G，可求出P、B间的动摩擦因数．

(2)结论：μ＝

2．计算动摩擦因数的方法：

  (1)认真审题，明确实验原理．

  (2)找准研究对象，分清研究过程．

  (3)结合滑动摩擦力公式f＝μN和二力平衡条件，计算出动摩擦因数．

【典例示范】

例5如图，某个实验小组的同学设计了一个测量动摩擦因数的实验．把弹簧测力计的一端固定在墙上，另一端与一物块P相连，用力F拉水平向左拉物块下面的金属板，金属板向左运动，此时测力计的示数稳定(图中已把弹簧测力计的示数放大画出)，弹簧测力计的读数为________N，物块P受到金属板的滑动摩擦力的大小是________N；若用弹簧测力计测得物块P的重力为13N，则物块P与金属板间的动摩擦因数为________．

例6如图，甲、乙两图表示用同一套器材测量铁块P与长金属板之间的动摩擦因数的两种不同方法．已知铁块P所受重力大小为5N，甲图使金属板静止在水平桌面上，用手通过弹簧测力计向右拉P，使P向右运动；乙图把弹簧测力计的一端固定在墙上，用力水平向左拉金属板，使金属板向左运动．

(1)你认为哪种方法较好？你判断的理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

(2)图中已经把两种方法中弹簧测力计的示数(单位：N)情况放大画出，则铁块P与金属板间的动摩擦因数为________．

核心素养(四)——科学态度与责任(STSE问题)

【典例示范】

例7 (多选)一名杂技演员在两幢高10m的楼之间表演“高空走钢丝”．当他缓慢经过钢丝的中点时，钢丝与水平方向的夹角为10°.已知演员及横杆的总质量为60kg，钢丝重量不计．重力加速度为10m/s2，sin10°＝0.17，下列说法正确的有(　　)

A．演员经过钢丝中点时，钢丝上的张力约为3530N

B．演员经过钢丝中点时，钢丝上的张力约为1765N

C．演员经过钢丝中点后又向右走了几步停下来，此时钢丝对演员的作用力方向朝左上方

D．如果更换一根更长的钢丝表演，演员经过钢丝中点时，钢丝上的张力会减小

例8航母阻拦索用于拦停高速着舰的舰载机，被喻为“舰载机生命线”．如图所示为其结构简图，滑轮1、2、3、4及液压缸a、b、c固定在甲板平面上，阻拦索绕过滑轮组后闭合．某时刻舰载机的挂钩勾住阻拦索，形成图示的夹角时，舰载机受到阻拦索的合力大小为F.不考虑阻拦索、滑轮的质量及摩擦，则此时单个柱塞所受阻拦索的合力大小为(　　)

A． B．F

C．F D．F

例9一个成人与一个小孩分别在河的两岸，两人一起沿河岸拉一条船，如图所示，成人的拉力F1＝400N，方向与河岸成30˚角，小孩的拉力在图中未画出，要使船在河流中平行于河岸行驶，求小孩对船施加的拉力F2的最小值．

章末素养培优

核心素养(一)

【典例示范】

例1　解析：由共点力的平衡条件可知，自动搬运车对物资的作用力和物资受到的空气阻力的合力与物资的重力等大反向，所以自动搬运车对物资的作用力和空气阻力的合力方向竖直向上，自动搬运车对物资的作用力不是竖直向上，故A错误；自动搬运车对物资的作用力在水平方向的分力等于空气阻力，在竖直方向的分力等于物资的重力，所以自动搬运车对物资的作用力大于空气阻力，故B正确；速度越大，物资受到的空气阻力越大，则自动搬运车对物资的作用力在水平方向的分力(摩擦力)越大，所以自动搬运车对物资的作用力越大，故C、D错误．

答案：B

例2　解析：对衣服进行受力分析，如图所示，

由几何关系知，衣架左、右侧对衣服的作用力F与竖直方向的夹角为30˚，则有2Fcos30˚＝Mg，得F＝Mg，故选项B正确．

答案：B

核心素养(二)

【典例示范】

例3　解析：将电灯向下拉电线BD的力F(大小为电灯的重力G)

按作用效果沿电线AB和绳BC的方向分解，F1是沿电线AB方向的分力，F2是沿绳BC方向的分力．随BC绳转动F的分解情况如图所示，由几何关系可知，当绳BC转到与电线AB方向垂直时，沿绳BC方向的分力最小，由共点力平衡的条件可知绳BC上的拉力先减小后增大．D正确．

答案：D

例4　解析：A、B两物体能够相对静止，一起做匀速直线运动，则A、B两物体组成的系统所受的合外力为零，故A错误，D正确．隔离A物体，受力分析知，A受到B的摩擦力大小为1N，方向水平向右，故B正确．整体由于所受合外力为零，所以地面对B物体的滑动摩擦力f＝F1－F2＝1N，方向向左；B物体对地面的压力N＝(mA＋mB)g＝20N，根据f＝μN，可得B与地面之间的动摩擦因数μ＝＝0.05，故C正确．

答案：BCD

核心素养(三)

【典例示范】

例5　解析：由图示弹簧测力计可知，其最小分度值是0.1N，其读数F＝2.60N；由二力平衡条件得：滑动摩擦力f＝F＝2.60N．根据f＝μN＝μmg，解得动摩擦因数μ＝0.2.

答案：2.60　2.60　0.2

例6　解析：(1)以铁块P为研究对象，显然，在甲图所示方法下，弹簧测力计对铁块P的拉力只有在铁块匀速前进时才等于滑动摩擦力的大小，但这种操作方式很难保证铁块P匀速前进．而在乙图所示方法下，不论金属板如何运动，铁块P总是处于平衡状态，弹簧测力计的示数等于铁块所受滑动摩擦力的大小，故第二种方法较好．

(2)通过两弹簧测力计的读数可知铁块所受摩擦力f＝2.45N．由于铁块在水平方向运动，其在竖直方向受力平衡，故此时正压力在数值上等于铁块所受重力大小，即N＝5N．由f＝μN解得μ＝＝0.49.

答案：(1)见解析　(2)0.49

核心素养(四)

【典例示范】

例7　

解析：分析受力情况，作出O点受力示意图，如图所示，根据平衡条件：2Fsinθ＝mg，可得F＝＝N≈1765N，A错误，B正确；当演员走几步停止后依然平衡，由平衡条件可知钢丝对人的张力的合力与重力等大、反向，即方向竖直向上，大小为mg，C错误；如果换成更长的钢丝，在中点平衡时钢丝与水平方向的夹角θ变大，由F＝可知钢丝上的张力减小，D正确．

答案：BD

例8　解析：由题意知阻拦索各处的拉力相等，设为T，根据合力与分力的关系可知2Tcos30°＝F，得阻拦索的拉力大小T＝F.每个柱塞受力相同，对柱塞进行受力分析可知F合＝2Tcos60°＝F，A、C、D错误，B正确．

答案：B

例9　解析：

为了使船在河流中平行于河岸行驶，必须使成人与小孩的拉力的合力平行于河岸方向，根据三角形定则，使F2的起点与F1的终点重合，只要F1的起点与F2的终点的连线落在平行于河岸的方向上，F1、F2的合力F的方向就与河岸平行，如图所示，当F2垂直于河岸时，F2最小，由此可得F2min＝F1sin30°＝400N×＝200N．即小孩对船施加的拉力F2的最小值为200N，方向垂直于河岸．

答案：200N