新教材高考物理一轮复习第2章相互作用共点力的平衡研专项素养提升课件

这是一份新教材高考物理一轮复习第2章相互作用共点力的平衡研专项素养提升课件，共29页。

一、情境化主题突破:生活中的物体平衡问题【背景资料】风筝是中国古代劳动人民的发明。相传墨翟以木头制成木鸟,研制三年而成,是人类最早的风筝起源。后来鲁班用竹子,改进墨翟的风筝材质,直至东汉期间,蔡伦改进造纸术后,坊间才开始以纸做风筝,称为“纸鸢”。风力的方向基本是水平方向,而风筝受风的角度和上扬力的大小,可以由提线方便地控制。放风筝的时候,一般是一抽一放。抽的时候,因为风筝提线一般放在风筝面靠上的位置,加大牵引力可以控制风筝角度变小,上扬力增加,风筝稳步上升;放的时候,即平衡的风筝牵引力变小,在风力和上扬力的合力作用下,风筝会飞高飞远,但是必须很快又抽,以再次保持风筝的角度稳定。风筝借助均匀的风力和牵线对其作用力,才得以在空中处于平衡状态。
【考向分析】像风筝这样的问题情境,在生活生产中有很多,通过生活中的平衡问题,考查力学平衡问题历来是高考的热点,近年来更突出强调用共点力的平衡条件分析解决生活中的实际问题。这就要求同学们深刻领会平衡的知识和方法,以便灵活运用到具体事例中,以所学知识为基础,从丰富翔实的背景材料中抽象出物理模型,选好研究对象,利用平衡知识解决实际问题。
【案例探究】如图所示,风筝借助均匀的风力和牵线的作用,在空中处于平衡状态。图中所示风筝质量为400 g,某时刻风筝平面与水平面的夹角为30°,主线对风筝的拉力与风筝平面成53°角。已知风对风筝的作用力与风筝平面相垂直,sin 53°=0.8,g取10 m/s2。(1)求此时风对风筝的作用力的大小和线对风筝的拉力大小。(2)若拉着风筝匀速运动时,主线与水平面成53°角保持不变,这时拉主线的力为10 N,则风对风筝的作用力为多大?风筝平面与水平面的夹角为多大?
思维点拨 选风筝为研究对象,构建平衡模型,受力分析,根据平衡条件列方程。注意风力对风筝的作用力垂直于风筝平面。
答案 (1)6.13 N　3.33 N　(2)13.4 N　arctan解析 (1)风筝平衡时共受到三个力的作用,即重力mg、风对它的作用力F和主线对它的拉力FT,如图所示,以风筝平面方向为x轴,F方向为y轴,建立坐标系,将重力和拉力FT正交分解在x轴方向,mgsin 30°-FTcs 53°=0在y轴方向,F=FTsin 53°+mgcs 30°联立两式,解得F=6.13 N,FT=3.33 N。
(2)同理以水平方向为x轴,竖直方向为y轴建立坐标系。设风对风筝的作用力水平分力为Fx,竖直分力为Fy,由平衡条件,知Fx=FT'cs 53°=10×0.6 N=6 NFy=FT'sin 53°+mg=10×0.8 N+4 N=12 N
【创新训练】(多选)(2023广东二模)耙在中国已有1 500年以上的历史,北魏贾思勰著《齐民要术》称之为“铁齿楱”,将使用此农具的作业称作耙。如图甲所示,牛通过两根耙索拉耙沿水平方向匀速耙地。两根耙索等长且对称,延长线的交点为O1,夹角∠AO1B=60°,拉力大小均为F,平面AO1B与水平面的夹角为30°(O2为AB的中点),如图乙所示。忽略耙索质量,下列说法正确的是(　　)
二、重要科学思维方法指导:整体法和隔离法在平衡问题中的应用【方法概述】1.整体法(1)选取原则:只涉及系统外力不涉及系统内部物体之间的相互作用力。(2)适用条件:系统内各个物体的运动状态必须相同。(3)优、缺点:整体法解题一般比较简单,但不能求内力。2.隔离法(1)选取原则:分析系统内某个物体的受力情况,一般先从受力简单的物体入手。(2)优、缺点:系统内物体受到的内力、外力均能求解,但比较麻烦,易出错。
【考向分析】受力分析与物体平衡几乎是每年必考的内容,近年来着重考查连接体的平衡,而连接体平衡问题涉及整体法、隔离法的应用,选题不避常规模型,没有偏难怪题。选择题中物理情景较简单,难度在中等偏易到中等难度之间。
【案例探究】如图所示,质量为mA的物块A放在倾角为θ的直角三角形斜面体B上面,质量为mB的物体B放在弹簧上面并紧挨着竖直墙壁,初始时A、B静止,现用力F沿斜面向上推A,但A、B仍未动。已知重力加速度为g,施加力F后,下列说法正确的是(　　)A.A、B之间的摩擦力一定变大B.B与墙面间的弹力等于Fsin θC.B与墙面间可能没有摩擦力D.弹簧弹力等于(mA+mB)g
答案 D　解析 对A进行受力分析,开始时受重力、B对A的支持力和静摩擦力,当施加F后,仍然处于静止。开始A所受的静摩擦力大小为mAgsin θ,若F=2mAgsin θ,则A、B之间的摩擦力大小不变,如果F<2mAgsin θ,摩擦力变小,故A错误。对A、B整体进行受力分析,开始时B与墙面间的弹力为零,后来加F后,由于力F具有沿水平方向的分量,则墙壁对B的弹力增大,大小等于F沿水平方向的分量,为F弹=Fcs θ,故B错误。对A、B整体进行受力分析,由于整体不动,弹簧的形变量不变,则弹簧的弹力不变,开始时弹簧的弹力等于A、B的总重力,施加F后,弹簧的弹力不变,总重力不变,根据平衡条件知,B与墙之间一定有摩擦力,故C错误。没有施加F时,整体只受到重力和弹簧弹力,根据平衡条件可得弹簧弹力F'=(mA+mB)g,施加力F后,弹簧的形变量不变,弹力不变,故D正确。
【创新训练】1.如图所示,物体A左侧为粗糙的竖直墙面,在竖直轻弹簧作用下,A、B保持静止。若在A的上方施加一竖直向下的作用力F,使A缓慢下移一小段距离,则在此过程中(　　)A.A可能相对B向下滑动B.墙对A的弹力会慢慢变大C.墙壁对A的摩擦力变小D.B对A的作用力不断变大,方向始终为竖直向上
答案 D解析 开始时整体受力平衡,竖直方向受到重力和弹簧的弹力,水平方向不受力,所以A与墙之间没有弹力,也没有摩擦力。以A为研究对象,A受到重力、支持力和摩擦力,设B斜面的倾角为θ,则有mAgsin θ≤μmAgcs θ,若在A的上方施加一竖直向下的作用力F,一定有(F+mAg)sin θ≤μ(F+mAg)cs θ,所以A相对于B不会向下运动,故A错误;水平方向系统不受外力作用,墙壁对A的弹力仍为零,所以摩擦力仍为零,保持不变,故B、C错误;若在A的上方施加一竖直向下的作用力F,A、B一起向下运动,当A、B再次达到静止时,弹簧的压缩量增大,所以弹簧对B的弹力变大,因mBg+FAB=F弹,则A对B的作用力逐渐变大,所以B对A的作用力也不断变大,方向始终为竖直向上,故D正确。
2.(2023湖南高三月考)小明同学学习了相互作用力知识后,设计了一个简易装置来研究悬挂物的平衡问题。他在一根粗糙的固定水平横杆上套上A、B两个轻环,用一根不可伸长的轻绳穿过书本上的硬质光滑小孔后系在A、B环上。调整位置使书处于静止状态,如图所示,现将两环距离变小后书本仍处于静止状态,则(　　)A.细绳对A的拉力变小、杆对A环的支持力变大B.细绳对B的拉力变小、B环对杆的摩擦力变小C.细绳对A的拉力变大、杆对A环的力不变D.细绳对B的拉力变大、与B环相连的细绳对书本的拉力变大
答案 B解析 两绳子拉力F大小相等,设F与竖直方向的夹角为θ,根据平衡条件,两绳子的合力和重力大小相等,即有F= ,两环距离变小,因θ变小,所以F变小,故C、D错误;把环A、B及书本看成一个整体,杆对A环的支持力大小总是等于书本重力的一半,两环距离变小的过程中,杆对A环的支持力不变,故A错误;
对B环受力分析,杆对B环的摩擦力和细线对B的拉力F在水平方向上的分量平衡,设细线拉力与竖直方向的夹角为θ,有Ff=Fsin θ,因为θ变小,F变小,所以摩擦力Ff变小,根据牛顿第三定律可知B环对杆的摩擦力变小,故B 正确。
三、典型物理模型指导突破:共点力平衡中的立体空间模型【模型概述】 很多物理问题来源于生活中的实实在在的物理情境。在解析物理问题时要将具体的物理情境转化为具体的物理模型来分析解决。在高中物理的学习中,我们碰到共点力平衡中的立体空间模型问题时总觉得无从下手, 图形画不清楚,对这里面的几何关系很难把握,即使简单的物理问题也很容易出错。要快速准确地解决这一类问题,较好的方法是将立体图转化为平面图来解决。
例如,如图甲所示,ABCD为一倾角为θ=30°的粗糙斜面,AD边与BC边平行。斜面上有一重G=10 N的物体,当对物体作用一与AD边平行的拉力F时,物体恰能做匀速直线运动。我们如果求解拉力F,那么我们在处理此类问题时对物体先沿竖直平面进行受力分析,如图乙,再沿斜面方向分析,如图丙,这样分别在竖直平面与沿斜面方向建立方程即可求出拉力F。
【考向分析】共点力平衡中的立体空间模型是近些年高考与高考模拟中经常出现的题型,此类题型难度较大,要求考生具有较好的立体空间思维与想象力。
【案例探究】(2023四川遂宁三模)如图所示,将三根长均为l的完全相同的轻质细杆连接到同一个顶点O,另一端分别连接到竖直墙壁上的A、B、C三个点,BC连线沿水平方向,△ABC的三边边长也均为l。其中O、A、B、C点处,分别是四个可以向各个方向自由转动的轻质光滑铰链(未画出)。在O点用细绳悬挂一个质量为m的重物,则AO杆对墙壁的作用力为(　　)
思维点拨 (1)本题中选哪一个物体或结点为研究对象?该研究对象受几个力?这几个力在同一个平面内吗?(2)OA、OB、OC三杆对O的力大小相同吗?有两个大小相同的力吗?(3)我们在分析解答立体空间问题时,通常将立体空间问题转化为平面问题来分析,本题如何将立体空间问题转化为平面问题来分析?
提示 (1)选O点为研究对象,该点受四个力,四个力并不在同一个平面内。(2)OA、OB、OC三杆对O的力大小不相同,其中OB、OC两杆对O的力大小相同。(3)本题中OB、OC两杆对O的力大小相同,可将两个力合成等效为一个力FBC,这样就将O受到的四个空间力转换为三个在同一个平面内的力,即OA对O的力FA,绳的拉力及等效力FBC。
解析 本题涉及立体空间问题转化为平面问题。(1)等效法的应用。在平面OBC上,应用等效法将OB与OC两杆对O点的作用力等效为FBC,如图甲所示,将空间内四力平衡转化为三力平衡。(2)相似三角形法的应用。如图甲所示,从O点作BC边的高,与BC边相交于D点,由图甲可知,OB杆和OC杆对O点的作用力的合力FBC沿着DO方向向上。
【创新训练】1.(2023山东潍坊二模)如图所示,某同学用一双筷子夹起质量为m的圆柱形重物。已知圆柱竖直、半径为r,筷子水平,交叉点到圆柱接触点的距离均为l=4r,每根筷子对圆柱的压力大小为2mg,重力加速度大小为g。下列说法正确的是(　　)
2.(2023辽宁名校联盟一模)如图所示,A、B、C三个完全相同的水泥管道叠放在水平地面上,已知B、C刚好接触无挤压,在沿管道轴线方向恒力F的作用下,顺着轴线方向匀速抽出A,整个过程中B、C保持静止。假设每个管道的质量为m,重力加速度为g,下列说法正确的是(　　)
C.若B、C稍稍远离一些(B、C仍保持静止),A对B的弹力变小D.若B、C稍稍远离一些(B、C仍保持静止),A对B的摩擦力变小