高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第4章 力与平衡第3节 共点力的平衡教课课件ppt

这是一份高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第4章 力与平衡第3节 共点力的平衡教课课件ppt，共41页。PPT课件主要包含了基础探究，合作探究，实践应用，知识梳理，形成概念掌握新知，匀速直线运动，思考与自测，思考判断，思维探究，问题情境等内容，欢迎下载使用。

一、物体的平衡状态平衡状态:把物体 或做 时所处的状态称为平衡状态。二、共点力的平衡条件1.物体的平衡条件:共点力作用下物体的平衡条件是合力为 ,即F合=0。2.力的平衡:若作用在物体上的几个共点力的合力为0,就达到了力的平衡。
(1)所受合力保持恒定的物体处于平衡状态。(　 　)(2)物体所受合力为零时,就一定处于平衡状态。(　 　)(3)大小相等、方向相反、作用在同一直线上的两个力一定是平衡力。(　　 )(4)若物体处于平衡状态,其所受合力一定为零。(　 　)
(1)如图所示,著名景点——黄山飞来石,独自静止于悬崖之上,它受哪些力作用?这些力大小、方向有何关系?它们的合力有何特点?答案:受重力和支持力。重力方向竖直向下、支持力方向竖直向上,二力等大、反向,合力为零。(2)如果一个物体在某一时刻的瞬时速度为零,则该物体一定处于平衡状态吗?答案:不一定。如果一个物体在一段时间的速度为0,即保持静止,则处于平衡状态;一个物体在某一时刻速度为零,有可能合力不为零,比如做自由落体的物体在刚释放时瞬时速度为零,所受合力不为零,因此不处于平衡状态。
要点一　共点力作用下物体的平衡条件
(1)从物理学角度来看,图中各物体是否处于平衡状态?答案:(1)图甲、乙中的物体是处于平衡状态。图丙中的物体不是处于平衡状态。(2)处于平衡状态的物体,有何运动学特征?答案:(2)物体保持静止或匀速直线运动状态。
1.对平衡状态的理解(1)静态平衡是处于静止状态的平衡,合力为零。(2)动态平衡是匀速直线运动状态的平衡,合力为零。总之,平衡状态是指加速度为零的状态。2.对共点力作用下平衡条件的理解(1)两种表达式。①F合=0。
(2)由平衡条件得出的结论。①物体受三个力作用平衡时,其中任意两力的合力必与第三个力等大反向。②物体受三个以上的力作用平衡时,其中任意一个力与其余几个力的合力等大反向。③物体处于平衡状态时,沿任意方向物体所受的合力均为零。
[例1] 关于平衡状态,下列说法正确的是(　 　)A.做自由落体运动的物体,在最高点时处于平衡状态B.木块放在斜面体的斜面上,随斜面体一起向右做匀速直线运动,木块处于平衡状态C.木块放在斜面体的斜面上,随斜面体一起向右做匀加速直线运动,木块处于平衡状态D.静止在匀加速运动的列车内的水平桌面上的杯子,处于平衡状态
[思路点拨] 抓住平衡状态的本质内容:(1)静止或匀速直线运动。(2)合力为0,然后逐项判断。
解析:做自由落体运动的物体在最高点时,速度虽为零,但所受合力不为零,不是平衡状态,A错误;木块与斜面体相对静止,若整体做匀速直线运动,则木块处于平衡状态,若整体做匀加速直线运动,则木块也具有加速度,不处于平衡状态,B正确,C错误;列车、桌子与杯子整体做匀加速运动,杯子也具有加速度,不处于平衡状态,D错误。
(1)物体保持静止状态:说明v=0,a=0,物体受合力为零,物体处于平衡状态。(2)物体运动速度v=0则有两种可能:①v=0,a≠0,物体受合力不等于零,物体并不保持静止,处于非平衡状态,如竖直上抛到最高点的物体。②v=0,a=0,这种情况与(1)中的静止状态一致。
[针对训练1] 孔明灯又叫天灯,相传是由三国时的诸葛亮所发明。当年,诸葛亮被司马懿围困于平阳,无法派兵出城求救。诸葛亮算准风向,制成会飘浮的纸灯笼,系上求救的讯息,其后果然脱险,于是后世就称这种灯笼为孔明灯。现有一质量为m的孔明灯升空后向着东北偏上方向沿直线匀速上升,则此时孔明灯所受空气的作用力(含风力)大小和方向是(　 　)A.0 B.mg,东北偏上方向
解析:孔明灯做匀速直线运动,即处于平衡状态,则合力为零,由于所受重力方向竖直向下,根据平衡条件,空气的作用力大小F=mg,方向竖直向上,故C正确。
要点二　 静态平衡问题的处理
如图所示,重物的重力为G,轻绳AO与BO的A、B端是固定的,平衡时AO是水平的,BO与竖直方向的夹角为θ,能否用合成法和分解法求出AO的拉力T1和BO的拉力T2的大小?答案:选取O点为研究对象,其受力如图甲所示,O点受到三个力的作用:重物对O的拉力大小为G,AO绳的拉力T1,BO绳的拉力T2。合成法:如图乙所示,T1和T2的合力与重物的重力大小相等,由几何关系可解出两绳拉力大小。效果分解法:如图丙所示,将重力沿两绳的方向分解,则沿AO、BO绳方向的合力分别为0,由几何关系可解出两绳拉力大小。正交分解法:如图丁所示,将BO绳拉力T2沿两坐标轴分解,则O点沿两坐标轴的合力分别为0,由此可求出两绳拉力的大小。
1.合成法:物体受三个共点力作用而平衡时,则任意两个力的合力一定与第三个力大小相等、方向相反,据此画出这两个力合成的平行四边形,利用几何知识求解。2.效果分解法:物体受三个共点力的作用而平衡,将某一个力按其他两个力的作用线分解,则其分力和其他两个力分别等大、反向,可利用几何知识求解各力间的关系。3.正交分解法:物体受到三个或三个以上力的作用而平衡,将物体所受的力分解到相互垂直的x、y轴上,则x、y轴的合力分别为0,则可列方程求解。
[例2] 在科学研究中,可以用风力仪直接测量风力的大小,其原理如图所示。仪器中一根轻质金属丝悬挂着一个金属球。无风时,金属丝竖直下垂;当受到沿水平方向吹来的风时,金属丝偏离竖直方向一个角度。风力越大,偏角越大。那么风力大小F跟金属球的质量m、偏角θ之间有什么样的关系呢?(重力加速度为g)
解析:选取金属球为研究对象,它受到三个力的作用,如图甲所示。法一　力的合成法如图乙所示,风力F和拉力T的合力与重力等大反向,则有F=mgtan θ。法二　效果分解法将重力沿金属丝方向和水平方向分解,如图丙所示,则有F-mgtan θ=0,得F=mgtan θ。法三　正交分解法以金属球为坐标原点,取水平方向为x轴,竖直方向为y轴,建立直角坐标系,如图丁所示。水平方向的合力Fx合和竖直方向的合力Fy合分别等于零,即Fx合=Tsin θ-F=0,Fy合=Tcs θ-mg=0,解得F=mgtan θ。
答案:F=mgtan θ
共点力平衡问题的解题步骤
(1)选取研究对象。(2)对所选取的研究对象进行受力分析并画出受力分析图。(3)对研究对象所受的力进行处理,或合成或分解。(4)根据F合=0或Fx合=0,Fy合=0列方程或由几何关系求解。
如图所示,人通过跨过定滑轮的轻绳牵引一物体,人向右缓慢移动时,思考:(1)如何理解题干中“缓慢”的意思?答案:(1)“缓慢”意味着物体处于一系列的平衡状态中,此过程中外力在发生变化,但合力始终为零,即动态平衡。(2)人所受力如何变化?答案:(2)人受重力、绳子的拉力及地面对人的支持力和摩擦力,当人缓慢向右移动时,人的重力、绳子拉力的大小不变,但绳的拉力在水平方向的分力增大,竖直方向的分力减小,故地面对人的支持力和摩擦力都变大。
1.动态平衡:是指平衡问题中的一部分力是变力,是动态力,力的大小和方向均要发生变化,所以叫动态平衡,这是平衡题目中常见且难度较大的一类题。2.基本思路:化“动”为“静”,“静”中求“动”。3.基本方法:图解法、解析法和相似三角形法。
[例3] (2022·福建泉州测试)如图所示,一小球放置在木板与竖直墙面之间。设墙面对球的压力大小为N1,球对木板的压力大小为N2。以木板与墙连接点为轴,将木板从图示位置开始缓慢地转到水平位置。不计摩擦,在此过程中(　 　)A.N1逐渐减小,N2逐渐增大B.N1逐渐减小,N2逐渐减小C.N1先增大后减小,N2逐渐减小D.N1先增大后减小,N2先减小后增大
法二　图解法由于小球处于平衡状态,则N1与N2′的合力与重力大小相等,即N1、N2′的合力保持不变,且N1方向不变,则G′、N1、N2′的关系如图乙所示。当木板缓慢转至水平的过程中,角α逐渐变小,由此可知,N1、N2′均逐渐变小,由力的作用是相互的知N2也逐渐变小,选项B正确。
分析动态平衡问题的方法
[针对训练3] 在葡萄烘干房内,果农用图示支架悬挂葡萄。OA、OB为承重的轻杆,AOB始终在竖直平面内,OA可绕A点自由转动,OB与OA通过铰链连接,可绕O点自由转动,且OB的长度可调节,现将新鲜葡萄用细线挂于O点,保持OA不动,调节OB的长度让B端沿地面上的AB连线向左缓慢移动,OA杆所受作用力大小为F1,OB杆所受的作用力大小为F2,∠AOB由锐角变为钝角的过程中,下列判断正确的是(　 　)A.F1逐渐变大,F2先变小后变大B.F1先变小后变大,F2逐渐变大C.F1逐渐变小,F2逐渐变小D.F1逐渐变大,F2逐渐变大
解析:以O点为研究对象进行受力分析,受到细线的拉力(等于葡萄的重力)、OA和OB杆的支持力,如图所示,当OB杆向左移动而OA位置不变时,利用矢量三角形方法作出各力的变化情况如图,由图可知,F1逐渐变大、F2先变小后变大;当OB与OA相互垂直时,F2最小,故A正确。
要点四　平衡中的临界、极值问题
如图所示,轻绳一端固定在天花板上,另一端悬挂质量为m的小球。现用力F使轻绳偏离与竖直方向成30°角,则该力的最小值是多少?
1.临界问题(1)问题界定:物体所处平衡状态将要发生变化的状态为临界状态,涉及临界状态的问题为临界问题。(2)问题特点。①当某物理量发生变化时,会引起其他几个物理量的变化。②注意某现象“恰好出现”或“恰好不出现”的条件。(3)分析方法:基本方法是假设推理法,即先假设某种情况成立,然后根据平衡条件及有关知识进行论证、求解。
2.极值问题(1)问题界定:物体平衡的极值问题,一般指在力的变化过程中涉及力的最大值和最小值的问题。(2)分析方法。①解析法:根据物体的平衡条件列出方程,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。②图解法:根据物体的平衡条件作出力的矢量图,画出力的矢量关系的平行四边形或者其中的矢量三角形进行动态分析,确定最大值或最小值。
[例4] 物体的质量为2 kg,两根轻绳AB和AC的一端连接于竖直墙上(B、C在同一竖直线上),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,若使两绳都伸直,且AC与墙面垂直,绳AB与绳AC间夹角也为θ=60°,求拉力F的大小范围(g取10 m/s2)。
解决临界、极值问题时应注意的问题
(1)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)必须在变化中寻找临界条件,不能停留在一个状态来研究临界问题,一般把某个物理量推向极端,即极大或极小,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。
模型·方法·结论·拓展
用整体法和隔离法分析多物体平衡问题
分析多物体的平衡问题,关键是研究对象的选取,若一个系统中涉及两个或两个以上的物体,在选取研究对象时,要灵活运用整体法和隔离法。对于多物体问题,如果不求物体间的相互作用力,我们优先采用整体法,这样涉及的研究对象少,未知量少,方程少,求解简便。
[示例] (2022·福建莆田段考)用两根长度均为1 m的细线系住小球A、B,小球质量mA=60 g,mB=30 g。若分别在A球上加水平向左的力F1,在b球上加水平向右的力F2,其中F1=1.6 N,F2=0.4 N,如图所示。再次达到平衡后,求:(g取10 N/kg)(1)绳2与竖直方向的夹角及张力大小;
答案:(1)53°　0.5 N
[示例] (2022·福建莆田段考)用两根长度均为1 m的细线系住小球A、B,小球质量mA=60 g,mB=30 g。若分别在A球上加水平向左的力F1,在b球上加水平向右的力F2,其中F1=1.6 N,F2=0.4 N,如图所示。再次达到平衡后,求:(g取10 N/kg)(2)绳1与竖直方向的夹角及张力大小;
答案:(2)53°　1.5 N
[示例] (2022·福建莆田段考)用两根长度均为1 m的细线系住小球A、B,小球质量mA=60 g,mB=30 g。若分别在A球上加水平向左的力F1,在b球上加水平向右的力F2,其中F1=1.6 N,F2=0.4 N,如图所示。再次达到平衡后,求:(g取10 N/kg)(3)小球B到悬点O的距离。
答案:(3)1.2 m
科学·技术·社会·环境
飞机飞行的平衡原理飞机能够载重上百吨腾空而起,不但飞行速度快而且飞行距离长,这恐怕是现代科学技术最令世人惊奇的成就之一。其实飞机能够飞行的原理并不复杂,基本上与风筝飞上天的原理相同。下面介绍一下风筝飞行的平衡原理,以此来了解飞机飞行的平衡原理。风筝平面与风向形成的夹角被称之为迎角,风对风筝的作用力与风筝表面垂直,其作用是对风筝产生升力和阻力。当迎角为90°时,也就是风向与风筝平面垂直,这时的风只产生阻力,你只能用手拉紧风筝线,拉力与阻力平衡,风筝才不至于被刮跑;当迎角为0°时,风筝基本不受风力的作用,由于自身的重量它会逐渐飘落;只有在风筝的迎角是处于一定的锐角时,这时的风力变为向后上方的力,驱使风筝升空遨游,使千姿百态的风筝在蔚蓝的天空中飘舞,形成明媚春天的亮丽的风景。人类借助风筝升天的原理制造了飞机。
[示例] (多选)在北京夜光风筝比赛现场,某段时间内某小赛手和风筝均保持静止状态,此时风筝平面与水平面夹角为30°,风筝的质量为m=1 kg,轻质细线中的拉力为T=10 N,该同学的质量为M=29 kg,则以下说法正确的是(风对风筝的作用力认为与风筝垂直,g取10 m/s2)(　 　)