高中物理魯科版 (2019)必修 第一冊(cè)第5節(jié) 超重與失重導(dǎo)學(xué)案

這是一份高中物理魯科版 (2019)必修 第一冊(cè)第5節(jié) 超重與失重導(dǎo)學(xué)案，共14頁(yè)。學(xué)案主要包含了學(xué)習(xí)目標(biāo)，核心素養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)習(xí)重難點(diǎn)，學(xué)習(xí)過(guò)程，思考·討論，素養(yǎng)訓(xùn)練，規(guī)律方法，精煉反饋等內(nèi)容，歡迎下載使用。
共點(diǎn)力的平衡 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．知道平衡狀態(tài)和平衡力的概念。2．了解共點(diǎn)力作用下物體平衡的概念及其應(yīng)用條件。3．會(huì)用共點(diǎn)力的平衡條件解決實(shí)際問(wèn)題。4．知道靜態(tài)平衡及物體在某一方向的動(dòng)態(tài)平衡。【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念：理解共點(diǎn)力的平衡概念，解決實(shí)際問(wèn)題。科學(xué)思維：1．能將實(shí)際問(wèn)題中的對(duì)象和過(guò)程轉(zhuǎn)換成所學(xué)的物理模型；2．能對(duì)簡(jiǎn)單的平衡問(wèn)題進(jìn)行分析和處理，獲得結(jié)論。科學(xué)探究：能觀察物理現(xiàn)象，提出物理問(wèn)題。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：認(rèn)識(shí)物理研究是一種對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行抽象的創(chuàng)造性工作。【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】1．了解共點(diǎn)力作用下物體平衡的概念及其應(yīng)用條件。2．會(huì)用共點(diǎn)力的平衡條件解決實(shí)際問(wèn)題。【學(xué)習(xí)過(guò)程】必備知識(shí)?素養(yǎng)奠基一、物體的平衡狀態(tài)1．下列物體處于平衡狀態(tài)的是___________①物體m置于木板上，緩緩抬高木板的過(guò)程中，物體相對(duì)于木板一直靜止②靜止在斜面上的木塊③做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)2．平衡狀態(tài)：物體_____或做_____________時(shí)所處的狀態(tài)。二、共點(diǎn)力的平衡條件1．要使物體保持平衡狀態(tài)必須滿(mǎn)足_________，即__________，__________。2．（1）物體受兩個(gè)力時(shí)，這兩個(gè)力的關(guān)系是__________（選填“大小相等”或“等大反向”），即合力為零。（2）物體受三個(gè)力時(shí)，這三個(gè)力中的任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力_____________（選填“大小相等”或“等大反向”），即合力為_______。關(guān)鍵能力?素養(yǎng)形成一、共點(diǎn)力的平衡條件1．兩種平衡情形：（1）物體在共點(diǎn)力的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)。（2）物體在共點(diǎn)力的作用下處于勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2．兩種平衡條件的表達(dá)式：（1）F合=0。（2）Fx合=0且Fy合=0，其中Fx合與Fy合分別是將所受的力進(jìn)行正交分解后，物體在x軸和y軸方向上所受的合力。3．共點(diǎn)力的平衡條件得出的三個(gè)結(jié)論：（1）二力作用：二力等大，反向，是一對(duì)平衡力。（2）三力作用：任兩力的合力與第三個(gè)力等大、反向。（3）n力作用：任一個(gè)力與其他所有力的合力等大、反向。【思考·討論】若火車(chē)處于平衡狀態(tài)，火車(chē)處于什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？【素養(yǎng)訓(xùn)練】1．物體在斜面上勻速下滑，如圖所示的四個(gè)受力示意圖中正確的是（  ）2．（2019·全國(guó)卷Ⅱ）物塊在輕繩的拉動(dòng)下沿傾角為30°的固定斜面向上勻速運(yùn)動(dòng)，輕繩與斜面平行。已知物塊與斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，重力加速度取10 m/s2。若輕繩能承受的最大張力為1500 N，則物塊的質(zhì)量最大為（  ）A．150 kgB．100 kgC．200 kgD．200 kg二、共點(diǎn)力作用下物體平衡問(wèn)題的求解方法方法應(yīng)用規(guī)律適用類(lèi)型合成法  圖解法正交分解法  相似三角形法  【思考·討論】在光滑墻壁上用網(wǎng)兜把足球掛在A點(diǎn)，足球與墻壁的接觸點(diǎn)為B。足球的質(zhì)量為m，懸繩與墻壁的夾角為α，網(wǎng)兜質(zhì)量不計(jì)，重力加速度為g，如何求出懸繩對(duì)足球的拉力大??？【規(guī)律方法】求解共點(diǎn)力平衡的一般步驟（1）選取研究對(duì)象。（2）將研究對(duì)象隔離出來(lái)，分析物體的受力情況并畫(huà)受力示意圖。（3）根據(jù)物體的受力特點(diǎn)選取適當(dāng)?shù)姆椒?，一般采用正交分解法?/span>（4）列方程求解，并檢查答案是否完整、合理。【素養(yǎng)訓(xùn)練】1．如圖所示，輕繩AB的A端連接在墻上，B端連接在輕桿上，輕桿BC的C端用鉸鏈連接在墻上，B端掛一重為G=100 N的物體。已知AB=2.7 m，AC=1.8 m，BC=3.6 m，則輕繩AB和輕桿BC上的力各是（  ）A．200 N，150 NB．150 N，200 NC．150 N，100 ND．100 N，150 N2．（多選）如圖所示，輕繩AO與豎直方向成一角度，輕繩BO水平。豎直輕繩CO系住一物體使其處于平衡狀態(tài)，當(dāng)繩子的懸點(diǎn)A緩慢向右移動(dòng)時(shí)，BO始終保持水平，在AO到達(dá)豎直方向前，關(guān)于繩子AO和BO的拉力，下列說(shuō)法中正確的是（  ）A．繩AO的拉力一直在增大B．繩BO的拉力一直在減小C．繩BO的拉力先增大后減小D．繩AO的拉力一直在減小【精煉反饋】一、選擇題（本題共6小題，每題4分，共24分）1．體操運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行自由體操比賽時(shí)，有如圖所示的比賽動(dòng)作：運(yùn)動(dòng)員兩手臂對(duì)稱(chēng)支撐，豎直倒立保持靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員兩手間距離增大時(shí)，每只手臂受的力T及它們的合力F的大小變化情況為????????????? （  ）A．T增大，F不變B．T增大，F減小C．T增大，F增大D．T減小，F不變【解析】選A。對(duì)運(yùn)動(dòng)員受力分析，如圖所示。運(yùn)動(dòng)員所受T的合力F與運(yùn)動(dòng)員重力大小相等方向相反，故夾角增大時(shí)合力大小不變；手臂間距增大時(shí)，相當(dāng)于在圖中兩力T之間的夾角θ增大，因合力F大小不變，故T增大。故選A。2．一質(zhì)量為m的物塊恰好靜止在傾角為θ的斜面上。現(xiàn)對(duì)物塊施加一個(gè)豎直向下的恒力F，如圖所示。則物塊 （  ）A．仍處于靜止?fàn)顟B(tài)B．沿斜面加速下滑C．受到的摩擦力不變D．受到的合外力增大【解題指南】解答本題應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：（1）對(duì)物塊不施加力F時(shí)物塊恰好靜止，則物塊所受靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力，可求出摩擦因數(shù)。（2）施加力F后再進(jìn)行受力分析，判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。【解析】選A。無(wú)力F時(shí)受力情況如圖甲，使物塊下滑的力，物塊受到的最大靜摩擦力fm=μN(yùn)=μmgcosθ，物塊恰好靜止則最大靜摩擦力可認(rèn)為等于滑動(dòng)摩擦力，即mgsinθ=μmgcosθ，μ=tanθ，當(dāng)施加恒力F后，受力情況如圖乙，使物塊下滑的力為F2=mgsinθ+Fsinθ，物塊所受最大靜摩擦力為f′m=μ（mgcosθ+Fcosθ）=mgsinθ+Fsinθ，即F2=f′m，兩者相等，物塊仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，A正確，B錯(cuò)誤；由于，故C錯(cuò)誤；物塊始終靜止，則受到的合力始終為零，D錯(cuò)誤。3．如圖所示，均勻光滑球夾在豎直墻和長(zhǎng)木板之間靜止，長(zhǎng)木板的下端為固定轉(zhuǎn)動(dòng)軸。將長(zhǎng)木板從圖所示位置緩慢地轉(zhuǎn)到水平位置的過(guò)程中，小球?qū)ωQ直墻的壓力F1的大小以及小球?qū)﹂L(zhǎng)木板的壓力F2的大小的變化情況將是（  ）A．F1和F2都逐漸減小B．F1和F2都逐漸增大C．F1逐漸減小，F2逐漸增大D．F1逐漸增大，F2逐漸減小【解析】選A。設(shè)木板和墻的夾角為α，如圖建立坐標(biāo)系對(duì)小球進(jìn)行受力分析，由于小球處于平衡狀態(tài)，滿(mǎn)足平衡條件F合=0，F1′為豎直墻對(duì)小球的彈力，F2′為長(zhǎng)木板對(duì)小球的支持力，根據(jù)平衡條件有：F合x=F2′cosα-F1′=0F合y=F2′sinα-mg=0由此得：F1′=mgcotα，F2′=，由題意，α增大，則得F1′減小，F2′減??；根據(jù)作用力與反作用力可知，小球?qū)ωQ直墻和長(zhǎng)木板的壓力與豎直墻和長(zhǎng)木板對(duì)小球的支持力大小相等，故A正確。4．輕繩一端系在質(zhì)量為m的物體A上，另一端系在一個(gè)套在粗糙豎直桿MN的圓環(huán)上?，F(xiàn)用水平力F拉住繩子上一點(diǎn)O，使物體A從圖中實(shí)線(xiàn)位置緩慢下降到虛線(xiàn)位置，但圓環(huán)仍保持在原來(lái)位置不動(dòng)。則在這一過(guò)程中，環(huán)對(duì)桿的摩擦力F1和環(huán)對(duì)桿的壓力F2的變化情況是（  ）A．F1保持不變，F2逐漸增大B．F1逐漸增大，F2保持不變C．F1逐漸減小，F2保持不變D．F1保持不變，F2逐漸減小【解析】選D。以圓環(huán)、物體A及輕繩整體為研究對(duì)象，分析受力情況，作出受力分析圖如圖1所示。根據(jù)平衡條件得，桿對(duì)環(huán)的摩擦力F1′=G，保持不變。桿對(duì)環(huán)的彈力F2′=F。再以結(jié)點(diǎn)O為研究對(duì)象，分析受力情況，作出受力分析圖如圖2所示。由平衡條件得F=mgtanθ當(dāng)物體A從圖中實(shí)線(xiàn)位置緩慢下降到虛線(xiàn)位置過(guò)程中，θ逐漸減小，則F逐漸減小，F2′逐漸減小。因?yàn)?/span>F1=F1′，F2=F2′，所以F1保持不變，F2逐漸減小。故選D。【補(bǔ)償訓(xùn)練】如圖所示，一光滑斜面固定在地面上，重力為G的物體在一水平推力F的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)。若斜面的傾角為θ，則（  ）A．F=GcosθB．F=GsinθC．物體對(duì)斜面的壓力N=GcosθD．物體對(duì)斜面的壓力N=【解析】選D。物體受力如圖所示，根據(jù)平衡條件，F、N′的合力與重力等大反向，則有F=Gtanθ，N=N′=，則D正確，A、B、C錯(cuò)誤。5．一個(gè)質(zhì)量為3 kg的物體，被放置在傾角為α=30°的固定光滑斜面上，在如圖所示的甲、乙、丙三種情況下處于平衡狀態(tài)的是（g=10 m/s2）（  ）A．僅甲圖B．僅乙圖C．僅丙圖D．甲、乙、丙圖【解析】選B。本題考查共點(diǎn)力的平衡條件。物體受三個(gè)力的作用，重力、支持力、拉力。重力沿斜面向下的分力大小為15 N，故只有乙圖能保持平衡。選項(xiàng)B正確。6．如圖所示，A、B兩物體的質(zhì)量分別為mA、mB，且，整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，滑輪的質(zhì)量和一切摩擦均不計(jì)，如果繩一端由Q點(diǎn)緩慢地向左移到P點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)重新平衡后，物體A的高度和兩滑輪間繩與水平方向的夾角θ變化情況是（  ）A．物體A的高度升高，θ角不變B．物體A的高度降低，θ角變小C．物體A的高度升高，θ角變大D．物體A的高度不變，θ角變小【解析】選A。原來(lái)整個(gè)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，繩的拉力等于A物體的重力，B物體對(duì)滑輪的拉力等于B物體的重力。將繩一端由Q點(diǎn)緩慢地向左移到P點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)重新平衡后，繩的拉力F仍等于A物體的重力，B物體對(duì)滑輪的拉力仍等于B物體的重力，都沒(méi)有變化，即滑輪所受的三個(gè)拉力都不變，則根據(jù)平衡條件得，兩繩之間的夾角也沒(méi)有變化，則θ角不變，滑輪將下降，物體A的高度升高，故A項(xiàng)正確。二、計(jì)算題（本題共2小題，共36分。要有必要的文字說(shuō)明和解題步驟，有數(shù)值計(jì)算的要標(biāo)明單位）7．（16分）在動(dòng)畫(huà)片《熊出沒(méi)》中有個(gè)鏡頭，“熊二”用一根輕繩繞過(guò)樹(shù)枝將“光頭強(qiáng)”懸掛起來(lái)，如圖所示。假設(shè)不計(jì)輕繩與樹(shù)枝間的摩擦，此時(shí)輕繩與水平地面的夾角θ=37°，已知“光頭強(qiáng)”體重G1=600 N，“熊二”體重G2=1 800 N，取sin37°=0.6，cos37°=0.8。（1）求此時(shí)“熊二”對(duì)地面壓力的大小N。（2）求此時(shí)“熊二”與地面間靜摩擦力的大小f。（3）現(xiàn)“熊二”要把“光頭強(qiáng)”吊掛得更高一些，向右水平移動(dòng)了一小段距離，則“熊二”對(duì)地面壓力大小和“熊二”與地面間靜摩擦力大小是“變大”還是“變小”？【解析】（1）以“熊二”為研究對(duì)象，受重力、支持力、拉力和靜摩擦力處于平衡狀態(tài)，受力如圖。繩子拉力T=G1=600 N；拉力與水平方向的夾角為θ，根據(jù)共點(diǎn)力平衡得，Tsinθ+N′=G2。解得：N′=G2-Tsinθ=1 800 N-600×0．6 N=1 440 N；根據(jù)作用力與反作用力可得“熊二”對(duì)地面壓力的大小為1 440 N；（2）水平方向根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件可得：f=Tcosθ=600×0.8 N=480 N；（3）當(dāng)“熊二”向右水平移動(dòng)了一小段距離，θ減小，T不變，則靜摩擦力增大，支持力增大，根據(jù)作用力與反作用力，“熊二”對(duì)地面的壓力增大，靜摩擦力增大。答案：（1）1 440 N（2）480 N（3）均變大8．（20分）質(zhì)量為m=19 kg的木箱放在水平地面上，木箱與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25。（1）如圖甲所示，對(duì)木箱施加一個(gè)多大的水平力F1，可使木箱在地面上勻速運(yùn)動(dòng)？（2）如圖乙所示，如果對(duì)木箱施加一個(gè)與水平方向成37°斜向上的力F2，則F2多大時(shí)才可使木箱在地面上勻速運(yùn)動(dòng)？（g取10 N/kg，已知sin37°=0.6，cos37°=0.8）【解析】（1）要使木箱受到水平力F1作用時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，則F1=f=μmgF1=0.25×19×10 N=47.5 N（2）將F2分解為水平方向F2x=F2cos37°豎直方向F2y=F2sin37°據(jù)力的平衡條件知：F2cos37°=f又f=μN(yùn)=μ（mg-F2y）可得F2=50 N答案：（1）47．5 N（2）50 N9．（6分）（多選）如圖所示，在粗糙水平地面上放著一個(gè)截面為四分之一圓弧的柱狀物體A，A的左端緊靠豎直墻壁，A與豎直墻壁之間放一光滑圓球B，整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)。若把A向右移動(dòng)少許后，它們?nèi)蕴幱陟o止?fàn)顟B(tài)，則（  ）A．B對(duì)墻的壓力增大B．A與B之間的作用力減小C．地面對(duì)A的摩擦力減小D．A對(duì)地面的壓力減小【解析】選B、C。對(duì)圓球B受力分析，作出平行四邊形如圖所示。A滑動(dòng)前，B球受墻壁及A的彈力的合力與重力大小相等，方向相反，如圖中實(shí)線(xiàn)所示；而將A向外平移后，B受彈力的方向?qū)⑸弦?，如虛線(xiàn)所示，但B仍受力平衡，由圖可知A對(duì)B球的彈力及墻壁對(duì)球的彈力均減小，故A錯(cuò)誤，B正確；以AB為整體分析，水平方向上受墻壁的彈力和地面的摩擦力而處于平衡狀態(tài)，彈力減小，故摩擦力減小，故C正確；豎直方向上受重力及地面的支持力，兩物體的重力不變，故A對(duì)地面的壓力不變，故D錯(cuò)誤；故選B、C。【總結(jié)提升】圖解法解決動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題的技巧圖解法解決動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題具有直觀、簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，使用中要注意以下三點(diǎn)：（1）本方法適用的基本上都是三力平衡問(wèn)題，且物體所受三力中，有一個(gè)是恒力（即大小方向都不變），還有一個(gè)是方向不變僅大小變化的力，另一個(gè)則是大小方向都變化的力，否則用圖解法不一定簡(jiǎn)單。（2）根據(jù)平衡條件，圖解法可采用將恒力沿另外兩個(gè)力的反方向分解的方式，也可采用將另外兩個(gè)力合成的方式，其合力與恒力等大反向。（3）規(guī)范作圖，利用平行四邊形定則或三角形定則進(jìn)行討論。討論時(shí)要特別注意方向變化的那個(gè)力，要切實(shí)搞清楚其方向變化的范圍，在此變化范圍內(nèi)進(jìn)行討論。10．（6分）（多選）如圖所示，光滑的半球形物體固定在水平地面上，球心正上方有一光滑的小滑輪，輕繩的一端系一小球，靠在半球上的A點(diǎn)，另一端繞過(guò)定滑輪后用力拉住，使小球靜止。現(xiàn)緩慢地拉繩，在使小球沿球面由A移動(dòng)到半球的頂點(diǎn)B的過(guò)程中，半球?qū)π∏虻闹С至?/span>N和繩對(duì)小球的拉力T的變化情況是????????????? （  ）A．N變大B．N不變C．T先變小后變大D．T變小【解析】選B、D。以小球?yàn)檠芯繉?duì)象，分析小球受力情況如下：重力G，細(xì)線(xiàn)的拉力T和半球面的支持力N，作出N、T的合力F，由平衡條件得F=G。由△NFA∽△AO1O得：==解得：N=×G，T=×G緩慢地將小球從A點(diǎn)拉到B點(diǎn)過(guò)程中，O1O、AO不變，O1A變小，可見(jiàn)T變?。?/span>N不變。故選B、D。11．（6分）（2019·長(zhǎng)沙高一檢測(cè)）如圖所示，某健身愛(ài)好者利用如圖裝置鍛煉自己的臂力和腿部力量，在O點(diǎn)懸掛重物C，手拉著輕繩且始終保持繩索平行于粗糙的水平地面。當(dāng)他緩慢地向右移動(dòng)時(shí)，下列說(shuō)法正確的有（  ）A．繩OA拉力大小不變B．繩OB拉力變大C．健身者與地面間的摩擦力變小D．繩OA、OB拉力的合力變大【解析】選B。設(shè)OA、OB繩的拉力分別為FA和FB，重物的質(zhì)量為m。對(duì)O點(diǎn)有FAcosθ-mg=0，FAsinθ-FB=0，解得FA=，FB=mgtanθ。當(dāng)健身者緩慢向右移動(dòng)時(shí)，θ變大，則兩拉力均變大，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；健身者所受的摩擦力與FB相等，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；健身者緩慢移動(dòng)時(shí)，兩繩拉力的合力大小等于重物C的重力，大小不變，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。故選B。12．（22分）如圖所示，AC、BC兩輕桿通過(guò)絞鏈與墻相接。輕桿AC長(zhǎng)30 cm，輕桿BC長(zhǎng)40 cm，A、B兩點(diǎn)間距離為50 cm。在結(jié)點(diǎn)C上掛一個(gè)重80 N的物體，求桿AC、BC上受的是壓力還是拉力，受力大小分別是多少？????????????? 【解析】重物靜止時(shí)對(duì)C點(diǎn)的拉力F=G，且力F產(chǎn)生兩個(gè)效果：對(duì)AC桿的拉力FAC，對(duì)BC桿的壓力FBC。依力的平行四邊形定則作出受力示意圖，如圖所示。由圖可知，力三角形和長(zhǎng)度三角形相似，對(duì)應(yīng)邊成比例，則==，代入數(shù)據(jù)求得FAC=48 N，FBC=64 N。答案：AC桿受拉力，大小為48 NBC桿受壓力，大小為64 N【總結(jié)提升】相似三角形法解決平衡問(wèn)題的技巧（1）根據(jù)力的分解或合成構(gòu)建出三角形，用相似三角形法解決平衡問(wèn)題。（2）當(dāng)物體受到三個(gè)力F1、F2和F3的作用處于平衡狀態(tài)時(shí)，這三個(gè)力組成的首尾相連的封閉的力三角形F1F2F3與幾何三角形ABC相似，則對(duì)應(yīng)邊成比例：==。