3.同样要注意轻质固定杆的弹力方向不一定沿杆的方向,作用力的方向需要结合平衡方程或牛顿第二定律求得,而轻质活动杆中的弹力方向一定沿杆的方向.
例4 如图8所示,轻绳AD跨过固定在水平横梁BC右端的定滑轮挂住一个质量为10 kg
的物体,∠ACB=30°,g取10 m/s2,求:
图8
(1)轻绳AC段的张力FAC的大小;
(2)横梁BC对C端的支持力的大小及方向.
解析 物体M处于平衡状态,根据平衡条件可判断,与物体相连的轻绳拉力大小等于物体的重力,取C点为研究对象,进行受力分析,如图所示.
(1)图中轻绳AD跨过定滑轮拉住质量为M的物体,物体处于平
衡状态,绳AC段的拉力大小为:
FAC=FCD=Mg=10×10 N=100 N
(2)由几何关系得:FC=FAC=Mg=100 N
方向和水平方向成30°角斜向右上方
答案 (1)100 N (2)100 N 方向与水平方向成30°角斜向右上方
突破训练4 如图9所示的四个图中,AB、BC均为轻质杆,各图中杆的A、C端都通过铰链与墙连接,两杆都在B处由铰链连接,且系统均处于静止状态.现用等长的轻绳来代替轻杆,能保持平衡的是 ( )
图9
A.图中的AB杆可以用轻绳代替的甲、乙、丙
B.图中的AB杆可以用轻绳代替的甲、丙、丁
C.图中的BC杆可以用轻绳代替的乙、丙、丁
D.图中的BC杆可以用轻绳代替的甲、乙、丁
答案 B
解析 在甲、丙、丁三图中的AB杆都产生的是拉力可用绳子替代.
一般情况下,插入墙中的杆属于固定杆(如钉子).弹力方向不一定沿杆,而用铰链相连的杆属于活动杆,弹力方向一定沿杆.
高考题组
2.死结模型:如几个绳端有“结点”,即几段绳子系在一起,谓之“死结”,那么这几段绳中的张力不一定相等.
1.跨过滑轮、光滑杆、光滑钉子的细绳两端张力大小相等.
4.滑轮模型与死结模型问题的分析
3.几种典型接触弹力方向的确认:
弹力 |
弹力的方向 |
面与面接触的弹力 |
垂直于接触面指向受力物体 |
点与面接触的弹力 |
过接触点垂直于接触面(或接触面的切面)而指向受力物体 |
球与面接触的弹力 |
在接触点与球心连线上,指向受力物体 |
球与球接触的弹力 |
垂直于过接触点的公切面,而指向受力物体 |
突破训练1 如图3所示,一重为10 N的球固定在支杆AB的上端,今用一段绳子水平拉
球,使杆发生弯曲,已知绳的拉力为7.5 N,则AB杆对球的作用力 ( )
图3
A.大小为7.5 N
B.大小为10 N
C.方向与水平方向成53°角斜向右下方
D.方向与水平方向成53°角斜向左上方
答案 D
解析 对小球进行受力分析可得,AB杆对球的作用力F和绳的拉力的合力与小球的重力等大反向,可得F方向斜向左上方,令AB杆对小球的作用力与水平方向夹角为α,可得:tan α==,α=53°,F==12.5 N,故只有D项正确.
考点二 弹力的分析与计算
首先分析物体的运动情况,然后根据物体的运动状态,利用共点力的平衡条件或牛顿第二定律求弹力.
例2 如图4所示,一光滑的半圆形碗固定在水平面上,质量为m1的小球用轻绳跨过光滑碗连接质量分别为m2和m3的物体,平衡时小球恰好与碗之间没有弹力作用,两绳与水平方向夹角分别为60°、30°,则m1、m2、m3的比值为 ( )
图4
A.1∶2∶3 B.2∶∶1
C.2∶1∶1 D.2∶1∶
解析 对m1受力分析,如图所示,则:
m2g=m1gcos 30°
m3g=m1gcos 60°,
m2=m1
m3=m1,B正确.
答案 B
突破训练2 如图5所示,光滑半球形容器固定在水平面上,O为球心,一质量为m的小滑块,在水平力F的作用下静止于P点,设滑块所受支持力为FN,OP与水平方向的夹角为θ,下列关系正确的是 ( )
图5
A.F= B.F=mgtan θ
C.FN= D.FN=mgtan θ
答案 A
解析 对滑块进行受力分析如图,滑块受到重力mg、支持力FN、
水平推力F三个力作用.由共点力的平衡条件知,F与mg的合力
F′与FN等大、反向.由几何关系可知F、mg和合力F′构成直
角三角形,解直角三角形可求得:F=,FN=F′=.所以
正确选项为A.
考点三 含弹簧类弹力问题的分析与计算
中学物理中的“弹簧”和“橡皮绳”也是理想化模型,具有如下几个特性:
(1)弹力遵循胡克定律F=kx,其中x是弹簧的形变量.
(2)轻:即弹簧(或橡皮绳)的重力可视为零.
(3)弹簧既能受拉力,也能受压力(沿着弹簧的轴线),橡皮绳只能受拉力,不能受压力.
(4)由于弹簧和橡皮绳受力时,其形变较大,发生形变需要一段时间,所以弹簧和橡皮绳中的弹力不能突变.但是,当弹簧和橡皮绳被剪断时,它们产生的弹力立即消失.
例3 如图6所示,原长分别为L1和L2,劲度系数分别为k1和k2的轻质弹簧竖直悬挂在天
花板上,两弹簧之间有一质量为m1的物体,最下端挂着质量为m2的另一物体,整个装
置处于静止状态.求:
图6
(1)这时两弹簧的总长.
(2)若有一个质量为M的平板把下面的物体竖直缓慢地向上托起,直到两弹簧的总长度等于两弹簧的原长之和,求这时平板受到下面物体m2的压力.
解析 (1)设上面弹簧的弹力为F1,伸长量为Δx1,下面弹簧的弹力为F2,伸长量为Δx2,由物体的平衡及胡克定律有
F1=(m1+m2)g,
Δx1=
F2=m2g,
Δx2=
所以两弹簧的总长为
L=L1+L2+Δx1+Δx2=L1+L2++.
(2)要使两个弹簧的总长度等于两弹簧原长之和,必须是上面弹簧伸长Δx,下面弹簧缩短Δx.
对m2:FN=k2Δx+m2g
对m1:m1g=k1Δx+k2Δx
解得:FN=m2g+m1g
根据牛顿第三定律知
FN′=FN=m2g+m1g
答案 (1)L1+L2++
(2)m2g+m1g
突破训练3 一个长度为L的轻弹簧,将其上端固定,下端挂一个质量为m的小球时,弹
簧的总长度变为2L.现将两个这样的弹簧按如图7所示方式连接,A、B两小球的质量均
为m,则两小球平衡时,B小球距悬点O的距离为(不考虑小球的大小,且弹簧都在弹
性限度范围内) ( )
图7
A.3L B.4L
C.5L D.6L
答案 C
解析 一根弹簧,挂一个质量为m的小球时,弹簧的总长度变为2L,即伸长L,劲度系数k=mg/L.若两个小球如题图所示悬挂,则下面的弹簧伸长L,上面的弹簧受力2mg,伸长2L,则弹簧的总长为L+L+L+2L=5L,故C正确.
2.杆的弹力并不一定沿杆的方向,但与杆发生弹性形变的方向相反.
1.有弹性形变才有弹力,只接触不发生弹性形变不产生弹力.
2.弹力方向的判断方法
(1)根据物体所受弹力方向与施力物体形变的方向相反判断.
(2)根据共点力的平衡条件或牛顿第二定律确定弹力的方向.
例1 画出图2中物体A受力的示意图.
图2
答案
1.弹力有无的判断方法
(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,若运动状态不变,则此处不存在弹力,若运动状态改变,则此处一定有弹力.
(3)状态法:根据物体的运动状态,利用牛顿第二定律或共点力平衡条件判断弹力是否存在.
(4)替换法:可以将硬的、形变不明显的施力物体用软的、易产生明显形变的物体来替换,看能否维持原来的运动状态.
2.弹力
(1)形变:物体形状或体积的变化叫形变.
(2)弹力
①定义:发生弹性形变的物体,由于要恢复原状,会对与它接触的物体产生力的作用.
②产生条件:物体相互接触;物体发生弹性形变.
(3)胡克定律
①内容:弹簧发生弹性形变时,弹力的大小F跟弹簧伸长(或缩短)的长度x成正比.
②表达式:F=kx.k是弹簧的劲度系数,单位为N/m;k的大小由弹簧自身性质决定.x是弹簧长度的变化量,不是弹簧形变以后的长度.
考点一 弹力有无及方向的判断
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