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高中物理|三力平衡问题(史上最全版)

 黄河清 2022-03-11
三力平衡问题牵扯到弹力方向判断、受力分析的方法、矢量三角形的理解等基础力学的核心知识点,在高中力学中占有重要地位,既是高中平时各类考试及高考的必考考点、也是常考考点。
此类问题虽学生常做、老师常讲,但缺乏对规律方法的总结。朴新无忧高中物理教研组对该问题不断总结、归纳、迭代,现推出目前最高版本3.0版,未来更强版本持续更新中。

一、专题预备知识
1、平衡状态:即物体保持静止或匀速直线运动状态,此时物体(系统)加速度和所受合外力均为0,包括静态平衡与动态平衡。
2、三力平衡的总体原则:三力中的任意一个力,必在其它两个力夹角的对顶角的范围内。

二、三个共点力平衡问题的九种类型
类型1、三力静态平衡时:若有两力相互垂直
方法:
(1)合成法:做出两力的合力与第三力是一对平衡力;
(2)分解法:将某力沿其他两力反方向分解,所得两分力与其他两力构成两平衡力;
(3)平移法:将三力平移到一个直角三角形中。以上三种方法,最后均利用三角函数关系求解。

例1、如图所示,轻绳AO和BO共同吊起质量为m的重物.AO与BO垂直,BO与竖直方向的夹角为θ,OC连接重物,则(    )

A.AO所受的拉力大小为mg/cosθ

B.AO所受的拉力大小为mg/sinθ

C.BO所受的拉力大小为mgcosθ

D.BO所受的拉力大小为mg/cosθ

类型2、三力静态平衡时:若无任意两力相互垂直且题中给出特殊角度

方法:正交分解法

例2、如图所,倾角为60°的斜面、右侧是四分之一圆弧面的物体固定在水平地面上,圆弧面底端切线水平,一根两端分别系有质量为m1、m2小球的轻绳跨过其顶点上的小滑轮.当它们处于平衡状态时,连接m2小球的轻绳与水平线的夹角为60°,不计一切摩擦,两小球可视为质点.两小球的质量之比m1∶m2等于(    )

A.1∶1           B.2∶3      C.3∶2           D.3∶4

类型3、三力动态平衡时:若一力大小方向不变,一力方向不变

方法:图解法

例3、如上右图所示,在一个半圆环上用两根细线悬挂一个重为G的物体,设法使OA线固定不动,将OB线从竖直位置沿半圆环缓缓移到水平位置OB′,则OA与OB线中受到的拉力FA、FB的变化情况是(    )

A.FA、FB都增大              B.FA增大,FB减小

C.FA增大,FB先增大后减小    D.FA增大,FB先减小后增大

例4、如图所示,一小球在斜面上处于静止状态,不考虑一切摩擦,如果把竖直挡板由竖直位置缓慢绕O点转至水平位置,则此过程中球对挡板的压力F1和球对斜面的压力F2的变化情况是 (    )                                                    A.F1先增大后减小,F2一直减小  

B.F1先减小后增大,F2一直减小

C.F1和F2都一直减小            

D.F1和F2都一直增大

类型4、三力动态平衡时:若一力大小方向不变,其余两力方向均改变且两力夹角也发生改变

方法:相似三角形法

例5、如图所示,竖直杆CB顶端有光滑轻质滑轮,轻质杆OA自重不计,可绕O点自由转动OA=OB.当绳缓慢放下,使∠AOB由00逐渐增大到1800的过程中(不包括00和180°)下列说法正确的是(    )

A.绳上的拉力先逐渐增大后逐渐减小  

B.杆上的压力先逐渐减小后逐渐增大

C.绳上的拉力越来越大,但不超过2G  

D.杆上的压力大小始终等于G

例6、如图所示,轻弹簧一端与小球相连,另一端与铰链相连,细绳绕过处于饺链正上方的轻小滑轮与小球相连。现用力F缓慢拉绳,使弹簧与球在竖直面内缓慢地逆时针转动。从小球离开水平面到小球达到滑轮正下方之前瞬间(不计滑轮与铰链的摩擦) (    )

A.F先减小后增大

B.跟小球相连的绳与竖直方向的夹角一直减小

C.小球的运动轨迹是一段圆弧

D.在缓慢运动中某时刻,绳子对球的拉力方向与球的运动方向可能垂直

类型5、三力动态平衡时:若一力大小方向不变,其余两力方向均改变且两力夹角不变

方法:矢量圆法

例7、如图所示,两根轻绳一端系于结点O,另一端分别系于固定圆环上的A、B两点,O为圆心。O点下面悬挂一物体M,绳OA水平,拉力大小为F1,绳OB与绳OA成α=120°,拉力大小为F2。将两绳同时缓慢顺时针转过75°,并保持两绳之间的夹角α始终不变,物体始终保持静止状态。则在旋转过程中,下列说法正确的是(    )

A.F1逐渐增大       

B.F1先增大后减小

C.F2逐渐减小      

D.F2先减小后增大

例8、(2017全国Ⅰ卷)如图,柔软轻绳ON的一端O固定,其中间某点M拴一重物,用手拉住绳的另一端N,初始时,OM竖直且MN被拉直,OM与MN之间的夹角为(>900)。现将重物向右上方缓慢拉起,并保持夹角不变。在OM由竖直被拉到水平的过程中(    )

A.MN上的张力逐渐增大    

B.MN上的张力先增大后减小

C.OM上的张力逐渐增大    

D.OM上的张力先增大后减

类型6、三力动态平衡时:(1)若一个力大小确定但方向不确定,一个力大小方向均确定,另一个力大小方向均不确定(2)若一个力大小确定但方向不确定,其余两个力的方向确定但大小均不确定

方法:圆与三角形法

例9、在共点力的合成实验中如图,用A,B两只弹簧秤把橡皮条上的节点拉到某一位置O,这时两绳套AO,BO的夹角小于90°,现在保持弹簧秤A的示数不变而改变其拉力方向使α角变小,那么要使结点仍在位置O,就应该调整弹簧秤B的拉力的大小及β角,则下列调整方法中可行的是(    )

A、增大B的拉力,增大β角    

B、增大B的拉力,β角不变

C、增大B的拉力,减小β角    

D、B的拉力大小不变,增大β角

例10、如图,质量为m的小球,用一细线悬挂在天花板上,现用一大小恒定的外力 F=mg/2,慢慢将小球拉起,在小球可能的平衡位置中,细线最大的偏角是多少?

例11、如图所示,轻弹簧一端与不可伸长的轻绳OC、DC连接于C(两绳另一端固定),弹簧另一端栓接一质量为m的小球,地面上竖直固定一内壁光滑的1/4开缝圆弧管道AB,A点位于O点正下方且与C点等高,管道圆心与C点重合。现将小球置于管道内A点由静止释放,已知轻绳DC水平,当小球沿圆弧管道运动到B点时恰好对管道壁无弹力,则小球从A运动到B的过程中(    )

A.弹簧一直处于自然长度

B.小球的机械能逐渐减小

C.轻绳OC的拉力先增大后减小

D.轻绳DC的拉力先增大后减小

类型7、三力动态平衡时:若一力大小方向不变,其余两力大小始终相等,方向改变(一般出现在有滑轮的题目中)

方法:菱形构造法(画出平行四边形为菱形,利用菱形对角线垂直且平分求解)

例12、如图,在竖直放置的穹形光滑支架上,一根不可伸长的轻绳通过光滑的轻质滑轮悬挂一重物G。现将轻绳的一端固定于支架上的A点,另一端从B点沿支架缓慢地向C点靠近(C点与A点等高)。则绳中拉力大小变化的情况是(    )                    

A.先变小后变大      

B.先变小后不变

C.先变大后不变  

D.先变大后变小

例13、如图所示,在竖直平面内,一根不可伸长的轻质软绳两端打结系于”V”型杆上的A、B两点。已知OM边竖直。IAOI=IOBI。细绳绕过光滑的滑轮,重物悬挂于滑轮下处于静止状态。若绕端点O按顺时针方向缓慢慢转动"V”型杆,直到ON边竖直。绳子的张力为T。A点处绳子与杆之间摩擦力大小为F。则(    )

A.张力T先一直增大

B.张力T先增大后减小

C.摩擦力F一直减小

D.摩擦力F先增大后减小

类型8、三力静态平衡时,若只已知三力间的两夹角

方法:拉密定理(正弦定理)

例14、如图所示,质量为m的铁球用轻绳系在墙上并放在光滑的斜面上,绳与竖直墙的夹角为β=45°,斜面与竖直墙间的夹角为θ=60°,试求斜面对球的弹力大小以及绳对球的拉力大小?

类型9、三力动态平衡时:若一力大小方向不变,其余两力方向均改变,两力夹角也发生改变,当相似三角形不好用时

方法:平移法

例15、如图所示,不可伸长的轻绳AO和BO下端共同系一个物体P,且绳长 AO>BO,AB两端点在同一水平线上,开始时两绳刚好绷直,细绳AO、BO的拉力分别设为FA、 FB,现保持A、B端点在同一水平线上,在A、B缓慢向两侧远离的过程中,关于两绳拉力的大小随A、B间距离的变化情况是(    )

A.FA随距离的增大而一直增大      

B.FA随距离的增大而一直减小

C.FB随距离的增大而一直增大      

D.FB随距离的增大先减小后增大

总结:

1、以上解决三力平衡问题的九种方法,其底层逻辑是:先将三力平移到一个三角形中,然后利用与矢量三角形相关的平面几何和函数知识求解。
2、解物理题的步骤:(1)根据题意建立物理模型。(2)采用最恰当的数学方法求解。

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