高中物理高考 专题2 1 三大性质力的理解及运算及实验 讲 解析版

专题2.1 三大性质力的理解及运算及实验【讲】 目录 一 讲核心素养 1 二 讲必备知识 2 【知识点一】　弹力的分析与计算 2 【知识点二】静摩擦力的有无及方向判断 4 【知识点三】摩擦力大小的计算 6 【知识点四】力的合成 8 【知识点五】力的分解 10 【知识点六】实验：探究弹力和弹簧伸长量的关系 13 【知识点七】实验：验证力的平行四边形定则 17 三．讲关键能力 22 【能力点一】.会分析摩擦力的突变问题 22 【能力点二】实验拓展与创新能力 25 四．讲模型思想 29 模型一　绳上的“死结”与“活结”模型 29 模型二 “动杆”与“定杆”模型 31 一 讲核心素养 1.物理观念：重力、重心、形变、弹力、摩擦力、合力与分力、力的合成、力的分解、矢量与标量。 (1)认识重力、弹力与摩擦力。通过实验，了解胡克定律。知道滑动摩擦和静摩擦现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小建立相互作用观。 (2)通过实验，了解力的合成与分解，知道矢量和标量。。 2.科学思维：轻杆(绳)模型、轻弹簧模型、胡克定律、平行四边形定则、整体法、隔离法、合成法、分解法。 (1).能熟练应用胡克定律求弹簧弹力的大小 (2)知道平行四边形定则是解决矢量问题的方法，学会作图，并能把握几种特殊情形 (3)会用作图法求分力，会用直角三角形的知识计算分力 (4)能结合受力分析，运用力的合成与分解、正交分解、物体的平衡条件等解决与实际相结合的力学平衡问题。 3.科学探究：探究弹簧形变与弹力的关系、研究两个互成角度的共点力的合成规律 (1)学会利用图象法处理实验数据，探究弹簧形变与弹力的关系。 (2)培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。 4.科学态度与责任：在生产、生活情境中，体验物理学技术的应用。 能用静力学的知识解决以生活中的实际问题为背景的问题，体会物理学的应用价值激发学生学习欲望。 二 讲必备知识 【知识点一】　弹力的分析与计算 1．弹力有无的判断 2．弹力方向的判断方法 (1)常见模型中弹力的方向。 (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。 3．计算弹力大小的三种方法 (1)根据胡克定律进行求解。 (2)根据力的平衡条件进行求解。 (3)根据牛顿第二定律进行求解。 【例1】(2021·合肥九中月考)一根弹簧受10 N拉力时总长为7 cm，受20 N拉力时总长为9 cm，已知当拉力撤去时弹簧都能恢复原长，则弹簧原长为(　　) A．8 cm B．9 cm C．7 cm D．5 cm 【答案】D　 【解析】弹簧在大小为10 N的拉力作用下，其总长为7 cm；设弹簧原长为l0，根据胡克定律可知ΔF＝kΔx，有10 N＝k×(0.07 m－l0)。弹簧在大小为20 N拉力作用下，其总长为9 cm，有20 N－10 N＝k×(0.09 m－0.07 m)；联立计算得出l0＝0.05 m＝5 cm。故D正确。 【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念及科学思维。要求考生能正确运用胡克定律解决弹簧问题。 【必备知识】应用胡克定律计算分析弹簧弹力，一定首先判明弹簧处于伸长状态还是压缩状态. 【变式训练】如图所示，质量均为m的A、B两球，由一根劲度系数为k的轻弹簧连接静止于半径为R的光滑半球形碗中，弹簧水平，两球间距为R且球半径远小于碗的半径．则弹簧的原长为(　　) A.＋R　　　　　　　　 B.＋R C.＋R D.＋R 【答案】：D 【解析】：以A球为研究对象，小球受重力、弹簧的弹力和碗的支持力，如图所示． 由平衡条件，得：tan θ＝＝ 解得：x＝ 根据几何关系得：cos θ＝＝，则tan θ＝， 所以x＝＝ 故弹簧原长x0＝＋R，故D正确． 【例2】(2021·四川模拟)(多选)如图所示为位于水平面上的小车，固定在小车上的支架的斜杆与竖直杆的夹角为θ，在斜杆的下端固定有质量为m的小球．下列关于杆对球的作用力F的判断中，正确的是(　　) A．小车静止时，F＝mgsin θ，方向沿杆向上 B．小车静止时，F＝mgcos θ，方向垂直于杆向上 C．小车向右匀速运动时，一定有F＝mg，方向竖直向上 D．小车向右匀加速运动时，一定有F＞mg，方向可能沿杆向上 【答案】　CD 【解析】小球受重力和杆的作用力F处于静止状态或匀速直线运动状态时，由力的平衡条件知，二力必等大反向，则F＝mg，方向竖直向上．小车向右匀加速运动时，小球有向右的恒定加速度，根据牛顿第二定律知，mg和F的合力应水平向右，如图所示 由图可知，F＞mg，方向可能沿杆向上，选项C、D正确． 【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念及科学思维。要求考生能结合物体的运动状态来分析计算弹力的大小。 【必备知识】杆对球的弹力方向与球的运动状态有关，并不一定沿杆的方向，这与轻绳所产生的弹力方向是有区别的. 【变式训练】(2020·浙江高考)如图所示的是“中国天眼”500 m口径球面射电望远镜维护时的照片。为不损伤望远镜球面，质量为m的工作人员被悬在空中的氦气球拉着，当他在离底部有一定高度的望远镜球面上缓慢移动时，氦气球对其有大小为 mg、方向竖直向上的拉力作用，使其有“人类在月球上行走”的感觉。若将人视为质点，此时工作人员(　　) A. 受到的重力大小为 mg B. 受到的合力大小为 mg C. 对球面的压力大小为 mg D. 对球面的作用力大小为 mg 【答案】D　 【解析】：工作人员的质量为m，则工作人员受到的重力G＝mg，A错误；工作人员在球面上缓慢行走，处于平衡状态，合力为0，B错误；工作人员站立的球面位置不水平，对球面的压力不等于 mg，C错误；由平衡条件可得球面对工作人员的作用力F满足F＝mg－mg＝mg，再由牛顿第三定律可得，工作人员对球面的作用力大小为F′＝F＝mg，D正确。 【知识点二】静摩擦力的有无及方向判断 1．假设法 利用假设法判断的思维程序如下： 2．状态法 此法关键是先判明物体的运动状态(即加速度的方向)，再利用牛顿第二定律(F＝ma)确定合力，然后通过受力分析确定静摩擦力的大小及方向． 3．牛顿第三定律法 此法的关键是抓住“力是物体间的相互作用”，先确定受力较少的物体受到的静摩擦力的方向，再根据“力的相互性”确定另一物体受到的静摩擦力的方向． 【例1】(2021·泰安模拟)大型商场或者大型超市为了方便顾客上下楼，都会安装自动扶梯。小王同学经过调查研究发现，不同商场或超市中的自动扶梯是不一样的，可以分为两大类，一种无台阶，另一种有台阶，两种自动扶梯分别如图所示。此外，小王同学还发现，为了节约能源，在没有顾客乘行时，这两种自动扶梯都以较小的速度匀速运行，当有顾客乘行时自动扶梯经过先加速再匀速两个阶段运行，则电梯在运送顾客上楼的整个过程中(　　) A. 图甲所示的无台阶自动扶梯中，乘客始终受摩擦力作用 B. 图乙所示的有台阶自动扶梯中，乘客始终受摩擦力作用 C. 图甲所示的无台阶自动扶梯中，乘客对扶梯的作用力始终竖直向下 D. 图乙所示的有台阶自动扶梯中，乘客对扶梯的作用力始终竖直向下 【答案】A　 【解析】：乘客在无台阶的扶梯上运行时，在加速和匀速阶段，都受到重力、支持力和静摩擦力。匀速阶段乘客对扶梯的作用力竖直向下，在加速阶段偏离竖直方向。乘客在有台阶的扶梯上运行时，加速阶段受到重力、支持力和静摩擦力，乘客对扶梯的作用力偏离竖直方向；匀速阶段受到重力与支持力，乘客对扶梯的作用力竖直向下。综上分析可知A正确。 【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。要求考生对物体的运动状态或物理过程所遵循的物理规律，来研究和处理受力问题。 【必备知识】判断摩擦力有无及方向的三点注意 (1)静摩擦力的方向与物体的运动方向没有必然关系，可能相同，也可能相反，还可能成一定的夹角． (2)分析摩擦力方向时，要注意静摩擦力方向的“可变性”和滑动摩擦力方向的“相对性”． (3)受静摩擦力的物体不一定是静止的，受滑动摩擦力作用的物体也不一定是运动的． 【变式训练1】．如图所示，物体A、B在力F作用下一起以大小相等的速度沿F方向匀速运动，关于物体A所受的摩擦力，下列说法正确的是 (　　) A．甲、乙两图中物体A均受摩擦力，且方向均与F相同 B．甲、乙两图中物体A均受摩擦力，且方向均与F相反 C．甲、乙两图中物体A均不受摩擦力 D．甲图中物体A不受摩擦力，乙图中物体A受摩擦力，方向和F相同 【答案】D 【解析】　用假设法分析：甲图中，假设A受摩擦力，与A做匀速运动在水平方向所受合力为零不符合，所以A不受摩擦力；乙图中，假设A不受摩擦力，A将相对B沿斜面向下运动，则知A受沿F方向的摩擦力，选项D正确． 【变式训练2】(多选)(2020·南京模拟)如图所示，A、B、C三个物体质量相等，它们与传送带间的动摩擦因数也相同．三个物体随传送带一起匀速运动，运动方向如图中箭头所示．则下列说法正确的是 (　　) A．A物体受到的摩擦力方向向右 B．三个物体中只有A物体受到的摩擦力是零 C．B、C受到的摩擦力方向相同 D．B、C受到的摩擦力方向相反 【答案】：BC 【解析】：A物体与传送带一起匀速运动，它们之间无相对运动或相对运动趋势，即无摩擦力作用，A错误；B、C两物体虽运动方向不同，但都处于平衡状态，由沿传送带方向所受合力为零可知，B、C两物体均受沿传送带方向向上的摩擦力作用，故B、C正确，D错误． 【知识点三】摩擦力大小的计算 1．静摩擦力大小的计算 (1)物体处于平衡状态(静止或匀速直线运动)，利用力的平衡条件来求解其大小． (2)物体有加速度时，若只有摩擦力，则Ff＝ma.若除摩擦力外，物体还受其他力，则F合＝ma，先求合力再求摩擦力． (3)为了处理问题的方便，最大静摩擦力常常按等于滑动摩擦力处理． 2．滑动摩擦力大小的计算 (1)滑动摩擦力的大小可以用公式Ff＝μFN计算． (2)结合研究对象的运动状态(静止、匀速运动或变速运动)，利用平衡条件或牛顿运动定律列方程求解． 【例1】(多选)(2020·肥城月考)如图所示，甲、乙、丙三个物体质量相同，与地面间的动摩擦因数相同，受到三个大小相同的作用力F，当它们滑动时，下列说法正确的是(　　) A．甲、乙、丙所受摩擦力相同 B．甲受到的摩擦力最小 C．乙受到的摩擦力最大 D．丙受到的摩擦力最大 【答案】BC　 【解析】物体均在滑动，故受到的是滑动摩擦力；由于甲、乙、丙三个物体对地面的压力大小分别为FN甲＝mg－Fsin θ；FN乙＝mg＋Fsin θ；FN丙＝mg；根据f＝μFN可知，滑动摩擦力的大小关系为f乙>f丙>f甲，故B、C正确，A、D错误。 【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学思维。 【必备知识】摩擦力计算的三点注意 (1)在确定摩擦力的大小之前，首先分析物体所处的状态，分清是静摩擦力还是滑动摩擦力． (2)滑动摩擦力有具体的计算公式，而静摩擦力要借助平衡条件或牛顿第二定律求解． (3)“Ff＝μFN”中FN并不总是等于物体的重力． 【变式训练1】(2020·济宁质检)如图所示，质量为M的长木板放在水平地面上，放在长木板上的质量为m的木块在水平向右的拉力F的作用下向右滑行，长木板保持静止。已知木块与长木板间的动摩擦因数为μ1，长木板与地面间的动摩擦因数为μ2，下列说法正确的是(　　) A．地面对长木板的摩擦力的大小一定为μ1mg B．地面对长木板的摩擦力的大小一定为μ2Mg C．地面对长木板的摩擦力的大小一定为μ2(m＋M)g D．只要