高一物理力的合成与分解知识讲解
【学习目标】【要点梳理】
要点诠释：
1.合力与分力
①定义：一个力产生的效果跟几个力的共同作用产生的效果相同，则这个力就叫那几个力的合力，那几个力叫做分力。
②合力与分力的关系。
a.合力与分力是一种等效替代的关系，即分力与合力虽然不同时作用在物体上，但可以相互替代，能够相互替代的条件是分力和合力的作用效果相同，但不能同时考虑分力的作用与合力的作用。
b.两个力的作用效果可以用一个力替代，进一步想，满足一定条件的多个力的作用效果也可由一个力来替代。
2.力的合成
①定义：求几个力的合力的过程叫做力的合成。
②说明：力的合成的实质是找一个力去替代作用在物体上的几个已知的力，而不改变其作用效果的方法。
①内容：两个力合成时，以表示这两个力的线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的对角线就代表合力的大小和方向，这个法则叫做平行四边形定则。
说明：
②应用平行四边形定则求合力的三点注意
a.力的标度要适当；
b.虚线、实线要分清，表示分力和合力的两条邻边和对角线画实线，并加上箭头，平行四边形的另两条边画虚线；
c.求合力时既要求出合力的大小，还要求出合力的方向，不要忘了用量角器量出合力与某一分力间的夹角。
要点二、共点力
要点诠释：
1.共点力：一个物体受到两个或更多个力的作用，若它们的作用线交于一点或作用线的延长线交于一点，这一组力就是共点力。
2.多个力合成的方法：
如果有两个以上共点力作用在物体上，我们也可以应用平行四边形定则求出它们的合力：先求出任意两个力的合力，再求出这个合力跟第三个力的合力，直到把所有的力都合成进去，最后得到的结果就是这些力的合力。
说明：
①平行四边形定则只适用于共点力的合成，对非共点力的合成不适用。
②今后我们所研究的问题，凡是涉及力的运算的题目，都是关于共点力方向的问题。
3.合力与分力的大小关系：
由平行四边形可知：F1、F2夹角变化时，合力F的大小和方向也发生变化。
（1F的范围：｜F1-F2｜≤F≤F1+F2。
①两分力同向时，合力FF=F1+F2。
②两分力反向时，合力FF=｜F1-F2｜。
③两分力有一夹角θOABC中，将F2平移到F1末端，则F1、F2、F围成一个闭合三角形。如图乙所示，
由三角形知识可知；｜F1-F2F＜F1+F2。
综合以上三种情况可知
①｜F1-F2F≤F1+F2。
②两分力夹角越大，合力就越小。
③合力可能大于某一分力，也可能小于任一分力.
要点三、力的分解
要点诠释：
1.分力：几个力，如果它们产生的效果跟原来一个力产生的效果相同，这几个力就叫做原来那个力的分力．
注意:几个分力与原来那个力是等效的，它们可以相互替代，并非同时存在．
2.力的分解：求一个已知力的分力叫力的分解．
3.力的分解定则：平行四边形定则，力的分解是力的合成的逆运算．
两个力的合力唯一确定，一个力的两个分力不是唯一的，如果没有其他限制，对于一条对角线，可以作出无数个不同的平行四边形(如图所示)．即同一个力F可以分解成无数对大小、方向不同的分力．
要点四、实际分解力的方法
要点诠释：
1.按效果进行分解
在实际分解中，常将一个力沿着该力的两个效果方向进行分解，效果分解法的方法步骤：
①画出已知力的示意图；
②根据此力产生的两个效果确定出分力的方向；
③以该力为对角线作出两个分力方向的平行四边形，即作出两个分力．
2.利用平行四边形定则求分力的方法
①作图法：利用平行四边形作出其分力的图示，按给定的标度求出两分力的大小，用量角器量出各分力与已知力间的夹角即分力的方向．
②计算法：利用力的平行四边形定则将已知力按几何方法求解，作出各力的示意图，再根据解几何知识求出各分力的大小，确定各分力的方向．
由上可知，解决力的分解问题的关键是根据力的作用效果，画出力的平行四边形，接着就转化为一个根据已知边角关系求解的几何问题．因此其解题的基本思路可表示为
3.力按作用效果分解的几个典型实例
实例 分析 地面上物体受斜向上的拉力F，拉力F一方面使物体沿水平地面前进，另一方面向上提物体，因此拉力F可分解为水平向前的力F1和竖直向上的力F2 质量为m的物体静止在斜面上，其重力产生两个效果：一是使物体具有沿斜面下滑趋势的分力F1；二是使物体压紧斜面的分力F2，， 质量为m的光滑小球被竖直挡板挡住而静止于斜面上时．其重力产生两个效果：一是使球压紧板的分力F1；二是使球压紧斜面的分力F2，， 质量为m的光滑小球被悬线挂靠在竖直墙壁上，其重力产生两个效果：一是使球压紧竖直墙壁的分力F1；二是使球拉紧悬线的分力F2，， A、B两点位于同一平面上，质量为m的物体由AO、BO两线拉住，其重力产生两个效果：一是使物体拉紧AO线的分力F2；二是使物体拉紧BO线的分力质量为m的物体被支架悬挂而静止，其重力产生两个效果：一是拉伸AB的分力F1；二是拉伸BC的分力F2， 质量为m的物体被支架悬挂而静止，其重力产生两个效果：一是拉伸AB的分力F1；二是压缩BC的分力F2，，
要点五、力的分解中定解条件
要点诠释：
将一个力F分解为两个分力，根据力的平行四边形定则，是以这个力F为平行四边形的一条对角线作一个平行四边形，在无附加条件限制时可作无数个不同的平行四边形，这说明两个力的合力可唯一确定，一个力的分力不是唯一的，要确定一个力的两个分力，一定要有定解条件．
(1)已知合力(大小、方向)和两个分力的方向，则两个分力有唯一确定的值．如图甲所示，要求把已知力F分解成沿OA、OB方向的两个分力，可从F的矢(箭头)端作OA、OB的平行线，画出力的平行四边形得两个分力F1、F2．
(2)已知合力(大小、方向)和一个分力(大小、方向)，则另一个分力有唯一确定的值．如图乙所示，已知F(合力)，分力F1，则连接F和F1的矢端，即可作出力的平行四边形得另一个分力F2．
(3)已知合力(大小、方向)和两分力大小，则两分力有两组解，如图所示，分别以O点和F的矢端为圆心，以F1、F2大小为半径作圆，两圆交于两点，作出三角形如图．
(4)已知合力(大小、方向)和一个分力的方向，则另一分力无确定值，且当两分力垂直时有最小值．如图所示，假设F1与F的夹角为θ，分析方法如下：
以F的尾端为圆心，以F2的大小为半径画圆，看圆与F1的交点即可确定解释的情形．
①当F2＜Fsinθ时，圆(如圆①)与F1无交点，无解；
②当F2＝Fsinθ时，圆(如圆②)与F1有一交点，故有唯—解，且F2最小；
③当Fsinθ＜F2＜F时，圆(如圆③)与F1有两交点，有两解；
④当F2＞F时，圆(如圆④)与F1有一交点，有唯—解．
要点六、实验验证力的平行四边形定则(4)用铅笔和刻度尺从力的作用点(位置O)沿着两条绳套的方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧秤的拉力F1和F2的图示，以F1和F2为邻边利用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，即为合力F的图示。(5)只用一只弹簧秤通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O，记下弹簧秤的读数和细绳的方向，用刻度尺从O点按选定的标度沿记录的方向作出这只弹簧秤的拉力F′的图示。(6)比较一下，力F′与用平行四边形法则求出的合力F在大小和方向上是否相同。(7)改变两个力F1、F2的大小和夹角，再重复实验两次。5.注意事项：（1）弹簧测力计在使用前应检查、校正零点，检查量程和最小刻度单位。（2）用来测量F1和F2的两个弹簧测力计应用规格、性能相同，挑选的方法是：将两只弹簧测力计互相钩着，向相反方向拉，若两弹簧测力计对应的示数相等，则可同时使用。（3）使用弹簧测力计测拉力时，拉力应沿弹簧测力计的轴线方向，弹簧测力计、橡皮筋、细绳套应位于与木板平行的同一平面内，要防止弹簧卡壳，防止弹簧测力计或橡皮筋与纸面摩擦。拉力应适当大一些，但拉伸时不要超出量程。（4）选用的橡皮筋应富有弹性，能发生弹性形变，实验时应缓慢地将橡皮筋拉伸到预定的长度．同一次实验中，橡皮筋拉长后的结点位置必须保持不变。（5）准确作图是本实验减小误差的重要一环，为了做到准确作图，拉橡皮筋的细绳要长一些；结点口的定位应力求准确；画力的图示时应选用恰当的单位标度；作力的合成图时，应尽量将图画得大些。（6）白纸不要过小，并应靠木板下边缘固定，A点选在靠近木板上边的中点为宜，以使O点能确定在纸的上侧。
【典型例题】
类型一合力与分力的关系类型二两个力合力的范围．
④用量角器量得F与F2的夹角53°．
即合力方向为北偏东53°．
(2)计算法：
分别作出F1、F2的示意图，如图所示，并作出平行四边形及对角线．
图2
在直角三角形中
，
合力F′与F2的夹角为，则
．
查表得53°，即合力方向为北偏东53°．
【点评】
①应用作图法时，各力必须选定同一标度，并且合力、分力比例适当，虚线、实线分清．
②作图法简单、直观，但不够精确．
③作图法是物理学中的常用方法之一．
④请注意图1与图2的区别．
举一反三【变式1】有两个大小不变的共点力F1和F2，它们合力的大小随两力夹角变化情况如图所示，则F1、F2的大小分别为多少?
【答案】8N、4N或4N、8N
【解析】对图的理解是解题的关键．其中两个力的夹角为0弧度(0°)与π弧度(180°)的含义要搞清．
当两力夹角为0°时，＝F1+F2，得到F1+F2＝12N①，当两力夹角为π时，得到F1-F2＝4N或F2-F1＝4N②，由①②两式得F1＝8N，F2＝4N或F1＝4N，F2＝8N．故答案为8N、4N或4N、8N．
【变式2】两个共点力的大小分别为F1和F2，作用于物体的同一点．两力同向时，合力为A，两力反向时，合力为B，当两力互相垂直时合力为()
A．B．C．D．
【答案】B
【解析】由题意知F1+F2＝A，F1-F2＝B，
故，．
当两力互相垂直时，
合力．
【变式3】在天花板下用等长的两根绳悬吊一重物，两根绳夹角为α=60°，每根绳对重物的拉力均为10N，求：绳子上拉力的合力和物重。
【答案】
类型三三个力求合力
【答案】C
【解析】A中合力为F1，B中合力为零，C中合力为F2，D中合力为F3，由于F2＞F3＞F1，故C中合力最大．
【变式2】物体同时受到同一平面内的三个共点力的作用，下列几组力的合力不可能为零的是()
A．5N，7N，8NB．5N，2N，3N
C．1N，5N，10ND．10N，10N，10N
【答案】C
【解析】三力合成，若前面力的合力可与第三力大小相等，方向相反，就可以使这三力的合力为零，即只要使第三力在其他两力的合力范围之内，就可能使合力为零，即第三力F3满足：|F1-F2|≤F3≤F1+F2．选项A中，前两力合力范围是：2N≤≤12N，第三力在其范围之内；选项B中，前两力合力范围是：3N≤≤7N，第三力在其合力范围之内；选项C中，前两力合力范围是：4N≤≤6N，第三力不在其合力范围之内；选项D中，前两力合力范围是：0≤≤20N，第三力在其合力范围之内，故只有C中第三力不在前两力合力范围之内，即C项中的三力合力不可能为零．
类型四矢量三角形例4、（2015安徽合肥市期末考）如图所示，小球用细绳系住，绳的另一端固定于O点．现用水平力F缓慢推动斜面体，小球在斜面上无摩擦地滑动，细绳始终处于直线状态，当小球升到接近斜面顶端时细绳接近水平，此过程中斜面对小球的支持力FN以及绳对小球的拉力FT的变化情况是（）
A． FN保持不变，FT不断增大
B． FN不断增大，FT不断减小
C． FN保持不变，FT先增大后减小
D． FN不断增大，FT先减小后增大
【答案】D
【解析】先对小球进行受力分析，重力、支持力FN、拉力FT组成一个闭合的矢量三角形，由于重力不变、支持力FN方向不变，且从已知图形知β＞θ，且β逐渐变小，趋向于0；
故斜面向左移动的过程中，拉力FT与水平方向的夹角β减小，当β=θ时，FTFN，细绳的拉力FT最小，由图可知，随β的减小，斜面的支持力FN不断增大，FT先减小后增大．故D正确．ABC错误．
故选：D．
【点评】物体在三个共点力作用下达到平衡状态，其中一个力的大小和方向均不发生变化时：一个力的方向不变，另一个力方向改变，利用力的三角形法则；另外两个力中，另外两个力方向均改变，利用力的三角形与几何三角形相似．对小球进行受力分析如图所示，则题干描述的动态过程可通过力的三角形边长的变化替代．
A、3倍B、4倍C、5倍D、6倍
【答案】D
【变式2】如图所示的水平面上，橡皮绳一端固定，另一端连接两根弹簧，连接点P在F1、F2和F3三力作用下保持静止。下列判断正确的是（）A．F1>F2>F3B．F3>F1>F2C．F2>F3>F1D．F3>F2>F1【答案】Ｂ【解析】P点在三力F1、F2、F3作用下保持静止，则其合外力为零，F1、F2的合力F12与F3等大反向．对三角形PF1F12，由大角对大力可知，F12>F1>F2，从而可得F3>F1>F2．类型五依据力的作用效果分解
【答案】
类型六附加一些条件将力进行分解例、（2016铜仁市校级模拟）在玉树地震的救援行动中，千斤顶发挥了很大作用，如图所示是剪式千斤顶，当摇动把手时，螺纹轴就能迫使千斤顶的两臂靠拢，从而将汽车顶起．当车轮刚被顶起时汽车对千斤顶的压力为1.0×105N，此时千斤顶两臂间的夹角为120°，则下列判断正确的是（）
A．此时两臂受到的压力大小均为5.0×104N
B．此时千斤顶对汽车的支持力为2.0×105N
C．若继续摇动把手，将汽车顶起，两臂受到的压力将增大
D．若继续摇动把手，将汽车顶起，两臂受到的压力将减小
【答案】D
【解析】A、将汽车对千斤顶的压力F分解沿两臂的两个分力F1，根据对称性可知，两臂受到的压力大小相等，即F1=F2．
由2F1cosθ=F得
故A、B错误．
C、D继续摇动把手，两臂靠拢，夹角θ减小，
由分析可知，F不变，当θ减小时，cosθ增大，F1减小．故C错误，D正确．
故选D．
【总结升华】本题应用平衡条件分析实际问题，采用的是力的分解法，也可以以O点为研究对象，应用正交分解法或合成法分析．
θ，此时螺杆AB的拉力为多少？
【解析】对“Y形”千斤顶，可建立一个简单的模型，如图丙所示，将重物对A处的压力G分解为拉螺杆的力F1和压螺杆的力F，作平行四边形．由图丙可知：F1＝Gcotθ．
对“菱形”千斤顶，根据力的实际作用效果，确定分力的方向，对力G进行二次分解，如图丁所示，G作用在C点，可分解为两个分别为F的分力，F作用在A点，又可分解为F1和F2两个分力，其中F1即对螺杆的拉力，由于ABCD是一个菱形，有F2＝F，于是也能求出F1．在C处可得：，在A处可得：，所以．
【高清课程：力的合成与分解例题1】
【变式2】细绳悬挂一光滑球靠在竖直的墙壁上，球重为G，细绳与墙夹角为α。求：球对细绳的拉力T和对墙的压力P。
【答案】
类型七验证力的平行四边形定则实验步骤的考查例7、（2015安徽蚌阜市期末考）某同学用图示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”。弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M。弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置。分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向。
（1）弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为N。
（2）本实验中要记录合力的大小，应该进行的操作是。
（3）若将O点的位置沿图示虚线箭头方向缓慢移动一小段距离，仍保持B水平，则弹簧测力计B示数的变化情况是。
【答案】（1）3.60；（2）用弹簧秤测出物体M的重力；（3）变小
【解析】（1）由图示可知，弹簧测力计分度值为0.2N，其示数为3.60N．
（2）本实验中合力的大小等于重物M的重力，因此重物的重力必须要知道，所以本实验中要记录合力的大小，应该进行的操作是用弹簧秤测出物体M的重力，
（3）将O点的位置沿图示虚线箭头方向缓慢移动一小段距离，OA和OB的方向都没有变，但是0A与竖直方向的夹角θ变小，OA和OB拉力的合力仍为M的重力，根据力的合成原则，则有，变小，所以变小，变小．
故答案为：（1）3.60；（2）用弹簧秤测出物体M的重力；（3）变小
【点评】确定出弹簧测力计的分度值，从而读出弹簧秤的读数，本实验中合力的大小等于重物M的重力，因此要测量重物的重力，将O点的位置沿图示虚线箭头方向缓慢移动一小段距离，OA和OB的方向都没有变，但是0A与竖直方向的夹角θ变小，根据力的合成原则分析即可．考查了弹簧测力计读数方法，对弹簧测力计读数时要先确定其分度值，然后再读数，读数时视线要与刻度线垂直．知道“力的平行四边形定则”实验原理。
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