内容正文:
共点力的平衡
(赋能课——精细培优科学思维)
第 5 节
课标要求 层级达标
能用共点力的平衡条件分析生产生活中的问题。 学考
层级 1.知道什么是共点力。
2.知道共点力平衡的条件:物体所受合力为0。
选考
层级 会用共点力的平衡条件,分析生活和生产中的实际问题。
课前预知教材
课堂精析重难
01
02
CONTENTS
目录
课时跟踪检测
03
课前预知教材
一、平衡状态
1.平衡状态:物体保持_____或______________状态。
2.平衡状态的特征
(1)静止状态特征:v=0,a=0。
(2)匀速直线运动状态特征:v≠0,a=0。
静止
匀速直线运动
二、共点力的平衡条件
1.二力平衡:作用在同一物体上的两个力大小相等、方向相反,并且在同一条直线上,合力等于___。
2.多力平衡:物体受多个共点力作用处于平衡状态,其合力等于__。
[微点拨]
(1)物体处于平衡状态不一定静止。
(2)物体速度为0的状态不一定是平衡状态。
0
0
[质疑辨析]
如图所示为一滑梯的实物图,为保证小朋友的安全,在水平面铺设安全地垫。水平段与斜面段平滑连接。某小朋友从滑梯顶端由静止开始滑下,经斜面底端后水平滑行一段距离,停在水平地垫上。
(1)小朋友沿粗糙的滑梯下滑时,受到重力、支持力、下滑力和摩擦力的作用。 ( )
(2)小朋友从滑梯顶端由静止开始下滑的瞬间,速度为零,处于平衡状态。( )
(3)小朋友静止在水平面上时,速度为零,所受合力为零,处于平衡状态。( )
(4)小朋友在滑梯上匀速直线下滑的一段过程中,所受合力为零,处于平衡状态。( )
×
×
√
√
[情境思考]
图甲所示物体静止于斜面上;图乙所示物体沿斜面匀速下滑;图丙所示物体到达光滑斜面的最高点;图丁所示物体与斜面一起向左加速运动。
(1)甲、乙、丙、丁四个物体中,谁处于平衡状态?
提示:甲、乙。
(2)甲、乙、丙、丁四个物体中,谁的合外力为0?
提示:甲、乙。
课堂精析重难
如图所示,远古的巨石千百年来一直
神奇地矗立着;都市里的人,却有动中取
静的办法,到了大商场里,你只要站着不
动,自动扶梯就会安稳匀速地送你上楼下
楼。从物理学角度来看,如果一个物体保持静止或做匀速直线运动,我们就说这个物体处于平衡状态。因此,巨石、匀速运动电梯上站立的人都处于平衡状态。
任务驱动
强化点(一) 共点力平衡的条件
(1)保持物体平衡需要什么条件?
提示:物体所受的合力为零。
(2)巨石、匀速运动电梯上站立的人都处于平衡状态,它们的加速度是多少?所受合力是多少?
提示:加速度为零,合力为零。
1.对共点力作用下物体的平衡的理解
(1)两种平衡情形:
①静平衡:物体在共点力作用下处于静止状态。
②动平衡:物体在共点力作用下处于匀速直线运动状态。
(2)“静止”和“v=0”的区别与联系:
要点释解明
2.对共点力作用下物体平衡条件的理解
(1)F合=0
(2)Fx合=0,Fy合=0,其中Fx合和Fy合分别是将力进行正交分解后,在x轴与y轴上的合力。
1.物体在共点力作用下,下列说法正确的是 ( )
A.物体的速度在某一时刻等于零,物体就一定处于平衡状态
B.物体相对另一物体保持静止时,物体一定处于平衡状态
C.物体处于平衡状态时,所受合力一定为零
D.物体处于平衡状态时,物体一定做匀速直线运动
题点全练清
√
解析:处于平衡状态的物体,从运动形式上来看处于静止或匀速直线运动状态,从受力上来看,物体所受合力为零,某一时刻速度为零的物体,所受合力不一定为零,故不一定处于平衡状态,A、D错误,C正确;物体相对于另一物体保持静止时,该物体不一定静止,如当另一物体做变速运动时,该物体也做变速运动,此时物体处于非平衡状态,故B错误。
2.物体受到共点力作用,下列图像能说明物体受力平衡的是 ( )
解析:物体在共点力作用下处于平衡状态时,处于匀速直线运动状态或静止状态,其加速度为零,合外力为零,故只有选项A正确。
√
√
3.鞠躬,即弯腰行礼,是表示对他人敬重的一种礼节,也是我国传统的礼仪之一。如图甲所示,鞠躬时人上身前倾一定角度,全身保持平衡,可简化为如图乙所示,若头的重力为G、颈椎对头的支持力为F1、颈部肌肉的拉力为F2。则下列关于人头部的受力示意图可能正确的是 ( )
解析:由共点力平衡条件可知,三个共点力平衡,任意两个力的合力需与第三个力等大反向。根据平行四边形定则可知,A、B、D三个选项中任意两个力的合力均不能与第三个力等大反向,只有C选项可能满足三力平衡的条件。故选C。
解答共点力的静态平衡问题常用以下三种方法
要点释解明
强化点(二) 静态平衡问题
合成法 物体在三个共点力作用下处于平衡时,将其中的任意两个力合成,其合力一定与第三个力平衡,从而把三力平衡问题转化为二力平衡问题
分解法 物体在三个共点力作用下处于平衡时,将其中任意一个力沿其他两个力的反方向分解,则每个方向上的一对力大小相等、方向相反,从而把三力平衡问题转化为两个方向上的二力平衡问题
正交
分解法 物体在三个或三个以上的共点力作用下处于平衡时,将物体所受的各个力均向两个互相垂直的方向上分解,然后分别在这两个方向上列平衡方程,此时平衡条件可表示为:Fx合=0,Fy合=0
[典例] (选自鲁科版教材例题)用绳子将鸟笼挂在一根横梁上,如图所示。若鸟笼重19.6 N,求绳子OA和OB对结点O的拉力。
[答案] 9.8 N,方向沿绳由O指向A;9.8 N,方向沿绳由O指向B。
[解析] 法一:合成法
以结点O为研究对象,根据共点力的平衡条件,作受力分析如图所示,F=FT,且FT=G
由三角函数关系得
F1=Fcos 30°=19.6× N=9.8 N
F2=Fsin 30°=19.6×0.5 N=9.8 N。
法二:分解法
以结点O为研究对象,根据共点力的平衡条件,
作受力分析如图所示。
FT=G,将拉力FT向绳OA和OB的反向分解,
由三角函数关系得FA=FTcos 30°=19.6× N=9.8 N
FB=FTsin 30°=19.6×0.5 N=9.8 N。
法三:正交分解法
如图所示,建立直角坐标系,将绳子OA和OB的拉力沿x、y方向正交分解。FT=G
由平衡条件得:
水平方向:F1cos 60°=F2cos 30°
竖直方向:F1sin 60°+F2sin 30°=FT
解得:F1=9.8 N,F2=9.8 N。
[变式拓展] 若例题中两绳能承受的最大拉力相同,均为100 N,持续增大悬挂物的重力,为了保证两段绳子不被拉断,求悬挂物的最大质量。(g取10 m/s2)
答案: kg
解析:由题意知,绳子OA的拉力F1大于OB的拉力F2,为了保证两段绳子不被拉断,当绳子OA的拉力F1m=100 N时,悬挂物的质量达到最大,则有:F1m=mgcos 30°,解得m= kg。
[思维建模] 静态平衡问题的解题步骤
1.(2024·山东高考)如图所示,国产人形机器人“天工”能平稳通过斜坡。若它可以在倾角不大于30°的斜坡上稳定地站立和行走,且最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则它的脚和斜面间的动摩擦因数不能小于 ( )
A. B.
C. D.
题点全练清
√
解析:根据题意可知机器人“天工”可以在倾角不大于30°的斜坡上稳定地站立和行走,对“天工”受力分析有mgsin 30°≤ μmgcos 30°,可得μ≥tan 30°=,故选B。
2.(2024·河北高考)如图,弹簧测力计下端挂有一质量为0.20 kg的光滑均匀球体,球体静止于带有固定挡板的斜面上,斜面倾角为30°,挡板与斜面夹角为60°。若弹簧测力计位于竖直方向,读数为1.0 N,g取10 m/s2,挡板对球体支持力的大小为 ( )
A. N B.1.0 N
C. N D.2.0 N
√
解析:对小球受力分析如图所示,由几何关系易得力FN1和力FN2与竖直方向的夹角均为30°,通过力的正交分解,根据共点力的平衡条件可得FN1sin 30°=FN2sin 30°,FN1cos 30°+FN2cos 30°+T=mg,解得FN1= FN2= N。故选A。
[典例] 如图所示,用四根轻绳a、b、c、d将重力均为G的三个小球连接并悬挂在水平天花板的O点和竖直墙面的P点。轻绳a与竖直方向的夹角为θ,轻绳d处于水平方向,系统处于静止状态。求:
(1)轻绳a、d上的拉力大小Fa、Fd;
强化点(三) 应用整体法和隔离法处理平衡问题
[答案] 3Gtan θ
[解析] 根据题意,将三个小球看成一个整体,受力分析,如图1所示,
由平衡条件得Facos θ=3G
Fasin θ=Fd
解得Fa=,Fd=3Gtan θ。
(2)轻绳c上的拉力大小Fc。
[答案] G
[解析] 根据题意,对最下面的小球单独受力分析,如图2所示,由共点力平衡可知,Fc与Fd和G的合力等大反向,则细线c上的拉力大小Fc== G。
[思维建模]
1.多物体平衡的解题关键
分析多物体的平衡问题,关键是研究对象的选取,若一个系统中涉及两个或两个以上的物体,在选取研究对象时,要灵活运用整体法和隔离法。
2.整体法和隔离法的选取技巧
(1)如果不涉及系统内物体间的相互作用力,要优先采用整体法,这样涉及的研究对象少,未知量少,方程少,求解简便。
(2)如果涉及系统内物体间的相互作用力,则必须采用隔离法,对有关物体单独分析。
1.(2025·亭湖期末)如图甲所示为一鸡蛋收纳架,利用斜坡使鸡蛋自动滚下,斜坡底端有一竖直挡板。现将5个鸡蛋放置在鸡蛋架上,将鸡蛋简化为质量为m,半径为R的球,图乙为正视图。已知斜坡倾角θ=30°,重力加速度大小为g,不计一切摩擦。下列说法正确的是 ( )
题点全练清
A.鸡蛋架对5号鸡蛋的作用力大小为mg
B.4号鸡蛋对5号鸡蛋的支持力大小为mg
C.鸡蛋架对4号鸡蛋的支持力大小为mg
D.竖直挡板对1号鸡蛋的支持力大小为mg
√
解析:对5号鸡蛋受力分析可知其受重力、鸡蛋架作用力及4号鸡蛋的作用力,根据力的分解可知,鸡蛋架对5号鸡蛋的作用力大小为F=mgcos θ=mg,4号鸡蛋对5号鸡蛋的支持力大小为F'=mgsin θ= mg,故A、B错误;对4号鸡蛋受力分析,垂直与鸡蛋架方向上,鸡蛋架对4号鸡蛋的支持力大小为F″=mgcos θ=mg,故C错误;对5个鸡蛋整体受力分析可知,竖直挡板对1号鸡蛋的支持力为FN=5mgtan θ =mg,故D正确。
2.(2025·广陵期末)如图所示,倾角为θ=37°的斜面固定在水平地面上,两个物块A、B用轻质弹簧连接,两物块都恰好静止在斜面上。物块A与斜面间的动摩擦因数为0.4,物块B与斜面间的动摩擦因数为0.8,两物块受到的摩擦力方向相同,滑动摩擦力等于最大静摩擦力,取重力加速度大小g=10 m/s2(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8),下列说法正确的是 ( )
A.弹簧可能处于压缩状态
B.A、B两物体所受摩擦力均沿斜面向下
C.当mA=1 kg时,物块B受到的摩擦力大小为48 N
D.物块A和物块B的质量之比为1∶7
√
解析:两物块都恰好静止在斜面上,对整体受力分析可知(mA+mB)gsin 37°=μ1mAgcos 37°+μ2mBgcos 37°,解得=,当mA=1 kg时,mB=7 kg,物块B受到的摩擦力大小为f=μ2mBgcos 37° =44.8 N,由题中两物块受到的摩擦力方向相同,可知两摩擦力沿斜面向上,D正确,B、C错误;对A有mAgsin 37°>μ1mAgcos 37°,可知弹力沿斜面向上,弹簧处于拉伸状态,A错误,故选D。
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1. 下列关于共点力的平衡与平衡条件的说法正确的是 ( )
A.如果物体的运动速度为0,则物体必处于平衡状态
B.如果物体的运动速度大小不变,则物体必处于平衡状态
C.如果物体处于平衡状态,则将物体受到的力沿任意方向进行合成,合力都必为0
D.如果物体受到三个共点力的作用而处于平衡状态,则任意两个力的合力与第三个力大小相等、方向相同
√
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解析:物体的运动速度为0,但所受合力不一定为0,所以不一定处于平衡状态,A错误;物体的运动速度大小不变,但速度方向可能变化,所以不一定处于平衡状态,B错误;如果物体处于平衡状态,则不管将物体受到的力沿哪个方向进行合成,合力都必为0,C正确;物体受三个共点力作用而处于平衡状态,根据平衡条件可知,合力为0,则其中任意两个力的合力与第三个力大小相等、方向相反,D错误。
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2.(2025·淮安期末)如图,某演员在水平地面上表演“单杆上平衡”节目,当演员和杆均处于静止状态时,杆发生了明显的弯曲。下列关于演员和杆的受力分析,正确的是 ( )
A.杆下端受到地面的摩擦力
B.杆对演员的作用力方向竖直向上
C.杆对演员没有摩擦力作用
D.杆共受到两个力的作用
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解析:以演员和杆整体为研究对象,受重力和支持力,合力为零,故杆不受地面摩擦力,故A错误;以演员为研究对象,因为他处于静止状态,受到竖直向下的重力,因此杆给他的几个力的合力必然是竖直向上的,即杆对演员的作用力方向竖直向上,故B正确;演员必然受到杆对他的摩擦力作用,否则会顺着杆滑下来,故C错误;杆受到重力和演员两只脚施加的两个弹力和摩擦力的作用,故D错误。
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3.(2025·南通期末)如图所示,起重机用四根等长钢索将一块重1.2吨的水平钢板吊起,匀速上升。已知每根钢索与竖直方向的夹角为37°,cos 37°=0.8,sin 37°=0.6,重力加速度g取10 m/s2。则每根钢索受到的拉力为 ( )
A.3 750 N B.4 250 N
C.4 750 N D.3 250 N
√
解析:对钢板受力分析,设每个钢索受到的拉力为F,根据平衡条件可得4Fcos 37°=mg,解得F=3 750 N,故选A。
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4.(2025·盐都期末)如图,小明站在一个放置于水平地面的木箱上,木箱上固定一滑轮,轻绳的一端固定在天花板上,另一端跨过滑轮。小明的质量为m,木箱与滑轮的总质量为M,重力加速度为g,忽略轻绳与滑轮间的摩擦力。小明用双手握住轻绳的一端,通过向上拉轻绳将箱子拉离地面,下列能将箱子拉离地面的拉力的最小值为 ( )
A.g B.g
C.g D.g
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解析:对小明和木箱整体进行受力分析,整体受重力g,向上的绳子作用力F。要把木箱拉离地面需满足F≥g,四个拉力中能将箱子拉离地面的最小拉力为g。故选C。
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5.(2025·浙江衢州期末)经常低头玩手机,会使人颈椎长期受压引发颈椎病。如图为小明同学低头看手机的某个状态,此时颈椎对头的支持力为F1、与竖直方向成37°,颈部肌肉的拉力为F2、与水平方向成45°,若头的重力为G。已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则颈椎受到的压力大小为 ( )
A.1.25G B.G
C.5G D.7G
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解析:由题中受力分析图可知F1cos 37°=G+F2sin 45°,F1sin 37°=F2cos 45°,解得F1=5G,根据牛顿第三定律可知,颈椎受到的压力大小为5G。故选C。
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6.(2025·连云港期末)据报道2024年6月2日某景区内两名游客在横渡峡谷溪流时借助绳索横渡,两岸有人拽住绳子协助他们,但当两人行进到河中央时突然被湍流冲倒从石头上滑下,两人紧抓绳索,两岸协助人员用尽全力试图将两人救起,突然绳索崩断,两人被水流冲走,人们不禁要问:粗大的绳索为什么会突然崩断呢?假设两人所受重力和水流冲击力的合力大小F=1 600 N,两岸间拉紧的绳索长12 m,人被水流冲下0.6 m,如图所示,假设两绳拉力与力F在同一平面内,重力加速度g取10 m/s2,则绳中弹力大小最接近 ( )
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A.3 200 N B.4 800 N
C.6 400 N D.8 000 N
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解析:根据平衡条件可得2FTsin θ=F,根据几何关系可得sin θ ==,解得FT=8 000 N,故选D。
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7.(2023·河北高考)如图,轻质细杆AB上穿有一个质量为m的小球C,将杆水平置于相互垂直的固定光滑斜面上,系统恰好处于平衡状态。已知左侧斜面与水平面成30°角,则左侧斜面对杆AB支持力的大小为 ( )
A.mg B.mg
C.mg D.mg
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解析:对轻杆和小球组成的系统进行受力分析,如图,设左侧斜面对杆AB支持力的大小为NA,由平衡条件有NA=mgcos 30°=mg,故选B。
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8.(2025·江宁期末)如图所示,教室灯管用两轻绳静止悬挂于天花板,方向水平,两根轻绳与灯管在同一竖直平面上,绳子与灯管夹角如图所示,已知灯管重力为mg。下列说法正确的是 ( )
A.两绳对灯管的拉力是一对平衡力
B.两绳对灯管拉力的合力大小等于mg,方向竖直向上
C.B绳的拉力大小为mg
D.A绳的拉力大小为mg
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解析:两绳子对灯管的拉力不在同一直线上,显然不是一对平衡力,故A错误;灯管受3个力平衡,根据平衡条件可知,两绳子拉力的合力与重力等大反向,故B正确;对灯管受力分析,由平衡条件,水平方向,FAcos 60°=FBcos 30°,竖直方向,FAsin 60°+FBsin 30°=mg,解得FA=mg,FB=mg,故C、D错误。故选B。
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9.(2024·贵州高考)如图(a),一质量为m的匀质球置于固定钢质支架的水平横杆和竖直墙之间,并处于静止状态,其中一个视图如图(b)所示。测得球与横杆接触点到墙面的距离为球半径的1.8倍,已知重力加速度大小为g,不计所有摩擦,则球对横杆的压力大小为 ( )
A.mg B.mg
C.mg D.mg
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解析:对球进行受力分析如图所示,设球的半径为R,根据几何知识可得sin α= =0.8,根据平衡条件得FNcos α=mg,解得FN=mg,根据牛顿第三定律得球对横杆的压力大小为FN'=FN=mg。故选D。
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10.一串小灯笼(五只)彼此用轻绳连接,并悬挂在空中,在稳定水平风力作用下发生倾斜,悬绳与竖直方向的夹角为30°,如图所示。设每个灯笼的质量均为m,则自上往下数第一只灯笼对第二只灯笼的拉力大小为 ( )
A.2mg B.mg
C.mg D.8mg
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解析:以下方四个灯笼作为整体为研究对象,进行受力分析,如图所示。竖直方向FTcos 30°=4mg,得FT==mg,C正确。
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11.(2024·湖北高考)如图所示,两拖船P、Q拉着无动力货船S一起在静水中沿图中虚线方向匀速前进,两根水平缆绳与虚线的夹角均保持为30°。假设水对三艘船在水平方向的作用力大小均为f,方向与船的运动方向相反,则每艘拖船发动机提供的动力大小为 ( )
A.f B.f
C.2f D.3f
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解析:根据题意对货船S受力分析如图甲所示,正交分解可知2Tcos 30°=f,所以有T=f,对拖船P受力分析如图乙所示,则有+(f+Tcos 30°)2=F2,解得F=f,故选B。
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12.(14分)如图甲所示,倾角为θ=37°的斜面与水平面始终保持静止,斜面上有质量m=10 kg的物块A,物块A恰好能沿斜面匀速下滑。设最大静摩擦力与滑动摩擦力相等,当地重力加速度g取10 m/s2, sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,则:
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(1)求物块A对斜面的压力FN;(4分)
答案: 80 N,方向垂直斜面向下
解析:对物块受力分析,由平衡条件可得,物块受到的支持力大小为FN'=mgcos 37°=80 N
由牛顿第三定律可知,物块对斜面的压力FN=FN'=80 N,方向垂直斜面向下。
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(2)求物块A与斜面间的动摩擦因数μ;(4分)
答案:0.75
解析:由平衡条件可得,在沿斜面方向有
Ff=mgsin 37°=60 N
由Ff=μFN,可得μ==0.75。
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(3)若对物块A施加水平向右的拉力F=80 N,如图乙所示,使物块A在斜面上保持静止不动,求物块A所受摩擦力大小和方向。(6分)
答案:4 N,方向沿斜面向下
解析:对物块受力分析,正交分解后沿斜面方向可得
Ff'=Fcos 37°-mgsin 37°=4 N
故物块受到的静摩擦力大小为4 N,方向沿斜面向下。
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13.(16分)如图所示,质量为m=50 kg的杂技演员利用动滑轮(图中未画出)悬挂在细绳上以完成各种杂技表演。绳子一端固定在竖直杆上的a点,另一端通过定滑轮与静止在粗糙水平地面上质量为M=220 kg的物体连接。当杂技演员静止不动时,定滑轮两侧细绳与水平方向的夹角分别为α=30°、β=37°。细绳不可伸长,不计细绳质量、动滑轮质量以及滑轮与细绳间的摩擦,假设最大静摩擦力等于滑动摩擦力,已知sin 37°= 0.6,cos 37°=0.8,g=10 m/s2。求:
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(1)杂技演员静止在最低点时,细绳张力的大小;(4分)
答案: 500 N
解析:对动滑轮受力分析,如图甲所示
根据受力平衡条件可得2FTsin α=mg
解得FT==500 N。
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(2)杂技演员静止在最低点时,水平地面对物体的支持力大小和摩擦力大小。(5分)
答案:1 900 N 400 N
解析:对物体受力分析,如图乙所示
由受力平衡条件可得FTsin β+FN=Mg,
Ff=FTcos β,
解得FN=1 900 N, Ff=400 N。
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(3)保持定滑轮和物体位置不变,将竖直杆往左侧移动,定滑轮左侧细绳与水平方向的夹角α减小,为了不让物体发生滑动,sin α的最小值为0.25,求物体与水平地面间的动摩擦因数μ。(7分)
答案:0.5
解析:物体恰好要开始滑动时,有FT'cos β=μ(Mg-FT'sin β)
对动滑轮受力分析有sin α==
联立解得物体与水平地面间的动摩擦因数为μ=0.5。
本课结束
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