高考物理:四步法,巧解受力分析题

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对物体进行受力分析是解决力学问题的基础,它贯穿于力学、电磁学等各部分。正确地对物体进行受力分析是解决问题的关键。   下面我们以一道经典题为例谈谈对物体进行受力分析的流程:   【例】跨过定滑轮的轻绳两端分别系着物体A和物体B,物体A放在倾角为θ的斜面上,如图1所示。已知物体A的质量为m,物体A与斜面间的动摩擦因数为  ( <tanθ),滑轮的摩擦不计。(1)要使物体A静止在斜面上,求物体B的质量的取值范围(按最大静摩擦力等于滑动摩擦力处理);(2)在A静止的前提下,斜面体与地面间的摩擦情况又如何?

  【导思】   第一步:明确研究对象(即确定分析受力的物体,不是施力的物体。)   研究对象可以是单个物体或物体的一部分,也可以是多个物体组成的系统。如例题中A和B是单个物体作为研究对象,A、B、C三个物体组成的系统也可作为研究对象。   第二步:找出所受的力(即找出受力物体受到的所有力)   一、找力的依据   1。可从力的概念出发,找出对应的施力物体。如例题中选A为研究对象,则A受重力(施力物体是地球)、支持力(施力物体是斜面)、拉力(施力物体是绳子)、摩擦力(施力物体是斜面)。   2。也可从力的性质出发,找出产生各性质力的原因。如例题中物体A受重力是由于地球的吸引,受支持力是由于A和接触面接触,同时又相互挤压。   3。或者从力的效果出发,找出改变物体的形状或运动状态的力。例如射箭运动员在拉弓时,拉力改变弓的形状;放箭时,弓的弹力改变箭的运动状态。   二、找力的方法:一般有假设法、整体法、隔离法、等效法、对称法等,最常用的是假设法、整体法和隔离法。   1.假设法。在受力分析时,如果不能确定某个力是否存在,可先对其作出存在或不存在的情况假设,然后再就该力存在与否对物体运动状态的影响跟题目已知条件是否相符来判断该力是否存在。   2.整体法与隔离法(针对两个或两个以上的物体组成的系统)。   (1)当研究的问题是整体(系统)与外界发生作用时,优先采用整体法分析,这样就不必考虑内力(物体间的相互作用力)的作用。   (2)当研究的问题涉及系统中物体间的相互作用时,优先采用隔离法分析,这时系统中物体间相互作用的内力就会变为各个独立物体的外力,进而分析周围有哪些物体对它施加了力的作用。   例题中,我们可假设A受斜面对它的摩擦力方向是向上或者向下,即A受的摩擦力方向有两种可能。   我们先把A隔离出来分析,得出A和绳子之间有弹力,A和斜面之间有弹力和摩擦力。而第二个问中,我们把A、B、C当成整体,A、B、C之间的相互作用力就不用考虑,从而得出斜面体与地面间的摩擦情况。   第三步:按顺序进行受力分析   通常先分析场力(重力、电场力、磁场力),然后分析接触力。在分析接触力时,首先找弹力,绕研究对象一周,依次找出与其接触的物体,分析是否有弹力作用;然后分析摩擦力,看有弹力作用的地方是否有相对运动或者相对运动的趋势,进而判断有无摩擦力的作用;最后看其他力的有无。要养成以“一重二弹三摩四其他”的顺序分析受力的习惯。   本题中先取物体B为研究对象,B受重力mB g和拉力F作用,根据平衡条件有:F=mB g ①;再取物体A为研究对象,A受重力mg、斜面支持力FN、绳子的拉力F和斜面的静摩擦力Ffm作用。假设物体A处于将要上滑的临界状态,则物体A受的静摩擦力最大,且方向沿斜面向下。   第四步:画出受力示意图

  将分析出来的力画在示意图上,并准确标出各力的方向。画图时同样要遵循“一重二弹三摩四其他”的顺序。同时注意如果物体有转动情况,则各个力的作用点不能画在同一个点上;如果有平衡情况则表示各力大小的线段长度要相符。   例题解答:(1)先取物体B为研究对象,B受重力mB g和拉力F作用,根据平衡条件有:F=mB g①。再取物体A为研究对象,A受重力mg、斜面支持力FN,绳子的拉力F和斜面的静摩擦力Ffm作用。假设物体A处于将要上滑的临界状态,则物体A受到的静摩擦力最大,而且方向沿斜面向下,此时A的受力情况如图2所示。根据平衡条件有:FN-mgcosθ=0 ②,F-Ffm-mgsinθ =0 ③。   又因为Ffm=FN ④,联立① ② ③ ④解得mB=m(sinθ+  cosθ)。再假设物体A处于将要下滑的临界状态,则物体A受到的静摩擦力最大,而且方向沿斜面向上,根据平衡条件有:FN-mgcosθ=0⑤ ,F+Ffm-mgsinθ=0⑥。   又因为Ffm=  FN ⑦,联立① ⑤ ⑥ ⑦解得mB=m(sinθ- ?cosθ)。   综上所述,物体B的质量的取值范围是m(sinθ- cosθ)≤mB≤m(sinθ+  cosθ)。   (2)在A静止的前提下,把A、B、C看成整体,则整体只在竖直方向受到整体的重力和地面对整体的支持力作用,在水平方向上没有受到力的作用,所以斜面体和地面之间没有摩擦。   名师点拨:受力分析时要注意几个问题   1.画研究对象的受力图时,通常只画出根据性质命名的力,不要把按效果分解的力或几个力的合力分析进去。受力图完成后再进行力的合成和分解,以免造成混乱。   2.不要把研究对象所受到的力与它对其他物体所施加的力相混淆。   3.区分内力和外力。对系统进行受力分析时,几个物体间的相互作用力为内力,不能在受力图中出现;当把其中的一个物体单独隔离分析时,原来的内力变成外力,就要分析出来并画在受力图上。   4.画完受力图后一定要进行定性检查,看物体能否处于题目中所给的运动状态,防止出现“多力”与“漏力”。在受力分析时一定要找出各力的施力物体,若没有施力物体,则该力一定不存在。弹力和摩擦力是同学们常出现“多力”或者“漏力”的两个力,例如斜面上受到的下滑力其实是重力的分力,做圆周运动的物体受到的向心力其实是物体受到的某个力或者合力起到永远指向圆心的作用。   5.区分好滑动摩擦力和静摩擦力。滑动摩擦力可以用公式去计算,而静摩擦力没有现成的公式,它是根据物体所处的运动状态来判断的。   6.并不是一看到有关力学的题,就要进行受力分析。如当研究物体平衡或者各个力作用下产生加速度时,可以进行受力分析;当研究物体发生弹性碰撞或当题目明确说明物体只在重力作用下运动(其机械能守恒)时就可以不用进行受力分析。
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