教版（2019）高中物理必修一新教材同步第3章 专题强化　三种性质的力及物体的受力分析(教师版+学生版）

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专题强化　三种性质的力及物体的受力分析 [学科素养与目标要求]　 科学思维： 1.能根据平衡法、假设法判定弹力的有无和方向. 2.进一步熟练掌握静摩擦力、滑动摩擦力方向的判定方法和大小的计算方法. 3.学会对物体进行初步受力分析的方法． 一、弹力的判断和计算 1．弹力的判断 (1)弹力有无的判断“三法”： ①条件法：根据物体是否直接接触并发生弹性形变来判断是否存在弹力．此方法多用来判断形变较明显的情况． ②假设法：对形变不明显的情况，可假设两个物体间弹力不存在，看物体能否保持原有的状态． ③状态法：根据物体的运动状态，利用牛顿第二定律(第四章学习)或共点力平衡条件(第5节学习)判断弹力是否存在． (2)弹力方向的确定． 2．弹力的计算 (1)对有明显形变的弹簧、橡皮条等物体，弹力的大小可以由胡克定律F＝kx计算． (2)对于难以观察的微小形变，可以根据物体的受力情况和运动情况，运用物体平衡条件或牛顿第二定律(第四章学习)来确定弹力大小． 例1 在图1中画出小球A所受弹力的示意图(已知各接触面都是光滑的且各图中小球A均处于静止状态)． 图1 答案　如图所示 解析　用假设法判断．题图甲中，若拿走B球，A球将向右下运动，说明A、B间有弹力；若剪断绳子，A球将向左下运动，说明绳子对A有沿绳向上的弹力．题图乙中，若拿走A球，B球将向下运动，说明A、B间有弹力；将容器左壁或底拿走，A球均会运动，说明容器左壁和底对A也有弹力作用．题图丙中，A球受到地面的支持力，斜面对A球没有力的作用．题图丁中轻杆给A球的弹力FN并不沿着轻杆的方向，FN的方向应竖直向上．  INCLUDEPICTURE "E:\\原文件\\新教材人教必修1（最新）\\例2.TIF" \* MERGEFORMAT  INCLUDEPICTURE "E:\\米昕\\2019\\同步\\物理\\物理 人教 必修第一册（新教材）\\例2.TIF" \* MERGEFORMATINET 例2 三个质量均为1 kg的相同木块a、b、c和两个劲度系数均为500 N/m的相同轻弹簧p、q用轻绳连接，如图2所示，其中a放在光滑水平桌面上．开始时p弹簧处于原长，木块都处于静止状态．现用水平力F缓慢地向左拉p弹簧的左端，直到c木块刚好离开水平地面为止，g取10 m/s2.该过程p弹簧的左端向左移动的距离是(　　) 图2 A．4 cm B．6 cm C．8 cm D．10 cm 答案　C 解析　“缓慢地拉动”说明系统始终处于平衡状态，该过程中p弹簧的左端向左移动的距离等于两个弹簧长度变化量之和；最初，p弹簧处于原长，而q弹簧受到竖直向下的压力FN1＝mbg＝10 N，所以其压缩量为x1＝eq \f(FN1,k)＝2 cm；最终c木块刚好离开水平地面，q弹簧受到竖直向下的拉力FN2＝mcg＝10 N，其伸长量为x2＝eq \f(FN2,k)＝2 cm，拉力F＝(mb＋mc)g＝20 N，p弹簧的伸长量为x3＝eq \f(F,k)＝4 cm，所以p弹簧的左端向左移动的距离x＝x1＋x2＋x3＝8 cm. 二、摩擦力的分析与计算 1．摩擦力有无的判断方法 (1)条件法：根据摩擦力产生的条件判断． (2)假设法：假设接触面光滑，若物体原先的运动状态改变，说明存在摩擦力；否则不存在摩擦力． (3)状态法：由物体所处的状态分析，若物体静止或做匀速直线运动，根据初中学过的二力平衡的知识可判断是否存在摩擦力． (4)力的相互作用法：当一物体所受摩擦力方向不易判断时，可先确定与之相互作用的另一物体所受摩擦力情况，然后根据牛顿第三定律作出判断． 2．摩擦力大小的计算 (1)静摩擦力的大小 ①静摩擦力的大小通常要通过受力情况和平衡条件进行计算，随着产生运动趋势的外力的变化而变化． ②最大静摩擦力Fmax的大小随物体对接触面的压力的增大而增大，其值略大于滑动摩擦力，高中阶段为了计算方便，往往认为最大静摩擦力大小等于滑动摩擦力． (2)滑动摩擦力的大小 计算公式Ff＝μFN 公式中FN为接触面受到的正压力，与物体的重力G是两种性质的力，大小和方向不一定与重力相同，Ff与物体的运动状态、运动速度的大小、接触面积的大小均无关．  INCLUDEPICTURE "E:\\原文件\\新教材人教必修1（最新）\\例3.TIF" \* MERGEFORMAT  INCLUDEPICTURE "E:\\米昕\\2019\\同步\\物理\\物理 人教 必修第一册（新教材）\\例3.TIF" \* MERGEFORMATINET 例3 如图3所示，一辆汽车在平直公路上向右行驶，车上有一木箱，试判断下列情况中木箱所受的摩擦力种类及摩擦力的方向． 图3 (1)汽车由静止向右加速运动时(木箱和车无相对滑动)； (2)汽车刹车时(木箱和车无相对滑动)； (3)汽车匀速运动时(木箱和车无相对滑动)； (4)汽车刹车，木箱在车上滑动时； (5)汽车突然加速，木箱在车上滑动时． 答案　(1)静摩擦力、向右　(2)静摩擦力、向左　(3)无摩擦力　(4)滑动摩擦力、向左　(5)滑动摩擦力、向右 解析　(1)木箱随汽车一起由静止加速运动，假设二者的接触面是光滑的，则汽车加速时，木箱由于惯性要保持原来相对地面的静止状态，因此它将相对于汽车向左滑动，而实际上木箱与汽车无相对滑动，即相对静止，说明木箱有相对汽车向左滑动的趋势，所以木箱受到向右的静摩擦力． (2)汽车刹车时，速度减小，假设木箱与汽车的接触面是光滑的，则木箱将相对汽车向右滑动，而实际上木箱没有滑动，说明木箱有相对汽车向右滑动的趋势，所以木箱受到向左的静摩擦力． (3)木箱随汽车一起匀速运动时，二者无相对运动或相对运动趋势，因而木箱不受摩擦力． (4)汽车刹车，木箱相对于汽车向右滑动，可知木箱受到向左的滑动摩擦力． (5)汽车突然加速，木箱相对于汽车向左滑动，可知木箱受到向右的滑动摩擦力．  INCLUDEPICTURE "E:\\原文件\\新教材人教必修1（最新）\\例4.TIF" \* MERGEFORMAT  INCLUDEPICTURE "E:\\米昕\\2019\\同步\\物理\\物理 人教 必修第一册（新教材）\\例4.TIF" \* MERGEFORMATINET 例4 (2019·河北师大附中期中)把一个重为G的物体，用一个水平力F＝kt(k为恒量，t为时间)压在竖直的足够高的粗糙墙壁上，物体与墙壁间的动摩擦因数为μ，如图4所示，从t＝0开始物体所受的摩擦力Ff随t的变化关系正确的是(　　) 图4 答案　B 解析　由于物体受到的水平推力为F＝kt，由二力平衡得，墙壁与物体间的弹力FN＝kt.当F比较小时，物体所受的摩擦力Ff小于物体的重力G，物体将沿墙壁下滑，此时物体与墙壁间的摩擦力为滑动摩擦力，由公式可得，滑动摩擦力大小Ff＝μkt.当摩擦力Ff大小等于重力G时，物体有速度，不能立即停止运动，物体受到的摩擦力仍然是滑动摩擦力；当摩擦力大于重力时，物体做减速运动直至静止，静止时滑动摩擦力将变为静摩擦力，静摩擦力与正压力无关，跟重力始终平衡，故B正确，A、C、D错误． 三、物体的受力分析 受力分析的一般步骤 1．明确研究对象．研究对象可以是单个物体(质点、结点)，也可以是两个(或多个)物体组成的整体． 2．隔离分析：将研究对象从周围物体中隔离出来． 3．按重力、弹力、摩擦力、其他力的顺序，依据各力的方向，画出各力的示意图．  INCLUDEPICTURE "E:\\原文件\\新教材人教必修1（最新）\\例5.TIF" \* MERGEFORMAT  INCLUDEPICTURE "E:\\米昕\\2019\\同步\\物理\\物理 人教 必修第一册（新教材）\\例5.TIF" \* MERGEFORMATINET 例5 (多选)如图5所示，有三个相同的物体叠放在一起，置于粗糙的水平地面上，现用水平力F作用在B上，三个物体仍然静止，下列说法中正确的是(　　) 图5 A．B对A有摩擦力作用 B．B受到A、C的摩擦力作用 C．B受到C的摩擦力作用 D．地面对C有摩擦力作用，大小等于F 答案　CD 解析　假设B对A有摩擦力作用，则A水平方向受力不能平衡，与题给条件不符，所以B对A无摩擦力作用，A错误．根据力的相互性可知，A对B也无摩擦力作用，B错误．假设C对B无摩擦力作用，则B在水平方向上只受力F作用，不可能保持静止，与题给条件不符，故B受到C的摩擦力作用，C正确．由于A、B、C是保持静止的，那么地面给C的摩擦力大小为F，方向向左，D正确． 针对训练1 　(2019·泰安一中期中)如图6所示，物体A、B、C叠放在水平桌面上，力F作用在物体C上后，各物体仍保持静止状态，那么以下说法正确的是(　　) 图6 A．A受的各个摩擦力之和不为零 B．A、B、C三个物体组成的整体所受摩擦力为零 C．C不受摩擦力作用 D．B不受摩擦力作用 答案　D 解析　A处于静止状态，所受各个摩擦力之和为零，故A错误；对A、B、C三个物体组成的整体，因为保持静止状态，所以整体在水平方向受到向右的力F和向左的摩擦力，则整体所受摩擦力不为零，故B错误；C水平方向受到力F作用，由平衡条件知，C所受摩擦力应水平向左，故C错误；B不受摩擦力，否则不能受力平衡，不能保持静止，故D正确. 1.(弹力的判断和计算)(2019·黑龙江实验中学期中)如图7所示，物体A分别与水平面、竖直墙面以及物体B紧密接触，所有接触面均光滑，A、B均静止，则(　　) 图7 A．物体A受三个弹力作用 B．物体A受两个弹力作用 C．物体B受两个弹力作用 D．物体A和物体B均只受一个弹力作用 答案　D 解析　A、B两物体没有相互挤压，它们之间无弹力作用，A所受的弹力只有地面的支持力，B所受的弹力也只有地面的支持力． 2．(摩擦力的分析与计算)如图8所示，物体A的质量为1 kg，置于水平地面上，物体与地面间的动摩擦因数μ＝0.2，从t＝0开始，物体以一定的初速度v0向右滑行的同时，受到一个水平向左、大小恒为F0＝1 N的作用力，则反映物体受到的摩擦力Ff随时间变化的图像正确的是(取向右为正方向，g取10 N/kg)(　　) 图8 答案　C 解析　物体A向右滑动时，受到地面向左的滑动摩擦力，由Ff1＝μmg，得Ff1＝2 N；物体静止后，因受到向左的拉力F0＝1 Nμ2(m＋M)g时，木板仍静止 答案　D 解析　木块所受木板的滑动摩擦力大小Ff1＝μ1mg，方向水平向左，根据牛顿第三定律得知：木板受到木块的摩擦力方向水平向右，大小等于μ1mg；木板处于静止状态，水平方向受到木块的滑动摩擦力和地面的静摩擦力，根据二力平衡得木板受到地面的摩擦力的大小是μ1mg，A、B、C错误；因为木块相对长木板运动，两者之间的摩擦力为滑动摩擦力，故当F>μ2(m＋M)g时，木块对木板的作用力仍为μ1mg，故木板仍静止，D正确． 9．(多选)如图8是某小组同学为研究动摩擦因数所设计的实验装置．其中A为一质量为M的长直木板，B为木板上放置的质量为m的木块，Q为木块右端连接的一水平弹簧测力计．实验时用水平力F将A从B的下方抽出，通过Q的读数即可测出动摩擦因数．若实验条件较为理想，则(　　) 图8 A．只有将木板A匀速抽出才能从Q上读取稳定读数 B．将木板A加速、减速或匀速抽出均能从Q上读取稳定读数 C．通过该方法可测得A与B之间的动摩擦因数 D．通过该方法可测得A与地面之间的动摩擦因数 答案　BC 解析　用水平力F将A从B的下方抽出达到稳定状态时，在水平方向上B所受的滑动摩擦力与弹簧测力计的拉力平衡，根据滑动摩擦力Ff＝μFN可知，滑动摩擦力的大小与A的速度无关，无论木板A做匀速直线运动还是变速直线运动，都不会改变木块受到的摩擦力的大小，均能从Q上读取稳定读数，选项A错误，B正确；当B达到稳定状态时，弹簧测力计的读数FT与B所受的滑动摩擦力Ff大小相等，B对木板A的压力大小等于B的重力mg，由Ff＝μFN，得μ＝eq \f(Ff,mg)＝eq \f(FT,mg)，从Q上读取FT，则可求得A、B之间的动摩擦因数μ，选项C正确，D错误． 10.如图9甲所示，用水平力F将质量为0.4 kg的物块压在竖直墙壁上静止不动，物块与墙面间的动摩擦因数为0.4.若力F随时间t变化的规律如图乙所示，取g＝10 m/s2，认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则下列图像中，能正确反映物块所受墙的摩擦力大小Ff随时间t变化规律的是(　　) 图9 答案　B 11．(拓展提升)(多选)(2018·山东省实验中学期中)如图10甲所示，A、B两个物体叠放在水平面上，B的上、下表面均水平且B足够长，物体A与一固定于墙面上的拉力传感器相连接，连接拉力传感器和物体A的细绳保持水平．从t＝0时刻起，用一水平向右的力F＝kt(k为常数)作用在物体B上，拉力传感器的示数随时间变化的图线如图乙所示，k、t1、t2已知，且最大静摩擦力等于滑动摩擦力．据此可求(　　) 图10 A．A、B之间的最大静摩擦力 B．水平面与B之间的滑动摩擦力 C．A、B之间的动摩擦因数μAB D．B与水平面间的动摩擦因数μ 答案　AB 解析　在0～t1时间内，A、B间无相对运动趋势，故只有地面对B有静摩擦力，故拉力传感器有示数时，地面对B的摩擦力是最大静摩擦力，Fmax＝kt1，A、B相对滑动后，拉力传感器的示数保持不变，则A、B之间的最大静摩擦力为FfAB＝kt2－Fmax＝k(t2－t1)，选项A、B正确；由于A、B的质量未知，则A、B之间的动摩擦因数μAB和B与水平面间的动摩擦因数μ不能求出，选项C、D错误． 12.(拓展提升)(2018·东北育才学校期中)如图11所示，在两块相同的竖直木板之间，有质量均为m的4块相同的砖，用两个大小均为F的水平力压木板，使砖静止不动，则第2块砖对第3块砖的摩擦力大小为(重力加速度为g)(　　) 图11 A．0 B．mg C.eq \f(mg,2) D.eq \f(mg,4) 答案　A 解析　将四块砖视为一个整体，由于均处于静止状态，受力平衡，受力如图甲， 得Ff1＝Ff4＝2mg，方向竖直向上，再以3、4整体为研究对象，受力如图乙，得Ff23＝0，故选A. 二、非选择题 13．如图12所示，A物体重力为20 N，B物体重力为10 N，力F竖直向下，A与水平面间的动摩擦因数μ＝0.4，其余摩擦不计，A与轻质定滑轮间的细线水平，求： 图12 (1)①②两种情况下，物体A受什么摩擦力？大小如何？(假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力) ①F＝0时由静止释放B物体； ②F＝10 N时由静止释放B物体． (2)若要使A匀速运动，所加力F的大小是多少？ 答案　(1)①滑动摩擦力　8 N　②静摩擦力　10 N (2)5 N 解析　(1)①F＝0时，A所受最大静摩擦力为Fmax＝μGA＝8 N，此时绳子的拉力大小为GB且GB＞Fmax，故A将运动，A所受摩擦力为滑动摩擦力，大小为Ff＝μGA＝8 N； ②当F＝10 N时，A所受最大静摩擦力为Fmax′＝μ(F＋GA)＝12 N，此时GB＜Fmax′，故A静止，A所受摩擦力为静摩擦力，大小为F静＝GB＝10 N. (2)若A匀速运动，此时滑动摩擦力大小等于B的重力大小，故此时有：μ(GA＋F′)＝GB，代入数据得：F′＝5 N，故所加力的大小是5 N. 14．(2019·泰安一中期中)如图13所示，物体A的重力为40 N，物体B的重力为20 N，A与地面间的动摩擦因数μ1＝0.2，物体A、B用细绳通过光滑的定滑轮相连，当作用在物体A上的水平力F＝24 N时，恰能将A匀速拉出．求： 图13 (1)地面对物体A的摩擦力大小； (2)A、B接触面间的动摩擦因数μ2. 答案　(1)12 N　(2)0.3 解析　(1)对B、A受力图如图所示 地面对物体A的摩擦力大小： Ff1＝μ1(G1＋FN2′)＝μ1(G1＋G2)＝12 N. (2)对物体B：FT＝Ff2＝μ2G2 对物体A：F＝Ff1＋Ff2′＋FT′ Ff2′＝Ff2，FT′＝FT 解得：μ2＝0.3.