内容正文:
共点力平衡条件的应用
习题课二
核心素养导学
科学思维 (1)学会应用整体法与隔离法解答多物体的平衡问题。
(2)学会处理动态平衡问题的三种方法。
(3)学会处理平衡中的临界、极值问题。
科学态度与责任 体会共点力的平衡条件在实际问题中的应用。
综合提能(一) 整体法与隔离法分析多物体平衡问题
综合提能(二) 物体的动态平衡问题
01
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CONTENTS
目录
综合提能(三) 平衡中的临界、极值问题
课时跟踪检测
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04
综合提能(一) 整体法与隔离法分析多物体平衡问题
1.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。
融通知能
2.整体法和隔离法的选取
(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。
[典例] 如图所示,质量为M的半球体放在粗糙水平地面上,细绳一端固定在天花板上,另一端拴住质量为m的可视为质点的光滑小球,小球置于半球体上的A点,细绳与半球体A处的切线平行,半径OA与水平方向的夹角θ=60°,小球和半球体都处于静止状态(当地重力加速度大小为g)。求:
(1)半球体对小球的支持力大小;
典例体验
[答案] mg
[解析] 对小球进行受力分析,将重力沿A点所在处
的切线方向和垂直于切线的方向进行分解,如图1所示,
根据共点力平衡的条件可知,半球体对小球的支持力
FN=mgsin θ,解得FN=mg,
细绳对小球的拉力T=mgcos θ,解得T=mg。
(2)半球体受到地面摩擦力的大小和方向。
[答案] mg,方向水平向左
[解析] 对小球和半球体构成的整体进行受力分析,将细绳对小球的拉力沿水平方向与竖直方向分解,如图2所示,
由水平方向上受力平衡有f=Tsin θ,
解得f=mg,方向水平向左。
1.(2025·东莞模拟)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 ( )
针对训练
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。
2.2025年春节期间,大街上到处洋溢着节日的气息,一盏盏大红灯笼展现出节日的喜庆。如图所示,三根轻绳a、b、c将甲、乙两只灯笼悬挂起来并处于静止状态。轻绳a、c与竖直方向的夹角分别为37°和53°角,轻绳b沿水平方向。已知甲的质量m=1.2 kg,且sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,重力加速度g取10 m/s2,求:
(1)细绳a的拉力的大小Fa。
答案:15 N
解析:以甲为研究对象,根据受力平衡条件
Facos 37°=mg,解得Fa=15 N。
(2)细绳c的拉力的大小Fc。
答案:11.25 N
解析:设b绳的拉力为Fb,由甲知Fb=mgtan 37°,
再由乙受力分析,由受力平衡条件Fcsin 53°=Fb,
联立解得Fc=11.25 N。
综合提能(二) 物体的动态平衡问题
1.动态平衡问题的特点
通过控制某一物理量,使其他物理量发生缓慢变化,而变化过程中的任何一个状态都看成是平衡状态。
融通知能
2.处理动态平衡问题常用的方法
图解法 对研究对象的任一状态进行受力分析,根据平行四边形定则或三角形定则画出不同状态下的力的矢量图,然后根据有向线段的长度变化判断各个力的变化情况。题型特点是:①合力大小和方向不变,②一个分力的方向不变
解析法 适用于求解直角三角形或正交分解类问题,列出三角函数表达式,然后利用表达式分析力的变化情况的方法
相似三
角形法 适用于求解的是一般形状三角形问题,做法是在受力分析的基础上作出力的平行四边形,由力三角形与几何三角形相似,求解问题
[典例] 质量为M的凹槽静止在水平地面上,内壁为半圆柱面,截面如图所示,A为半圆的最低点,B为半圆水平直径的端点。凹槽恰好与竖直墙面接触,内有一质量为m的小滑块。用推力F推动小滑块由A点向B点缓慢移动,力F的方向始终沿圆弧的切线方向,在此过程中所有摩擦均可忽略,下列说法正确的是 ( )
A.推力F先增大后减小
B.凹槽对滑块的支持力先减小后增大
C.墙面对凹槽的压力先增大后减小
D.水平地面对凹槽的支持力先减小后增大
典例体验
√
[解析] 对小滑块受力分析,如图所示,由题意可知,推力F与凹槽对滑块的支持力FN始终垂直,即α+β始终为90°,在小滑块由A点向B点缓慢移动的过程中,α减小,β增大,而F=mgcos α、FN=mgsin α,可知推力F一直增大,凹槽对滑块的支持力FN一直减小,A、B错误;对小滑块和凹槽整体根据平衡条件可得,墙面对凹槽的
压力大小FN1=Fsin α=mgsin 2α,水平地面对凹槽的支
持力FN2=Mg+mg-Fcos α,在小滑块由A点向B点缓慢移
动的过程中,α由逐渐减小到零,根据数学知识可知墙
面对凹槽的压力先增大后减小,水平地面对凹槽的支持
力一直减小,C正确,D错误。
1.如图所示,一小球放置在木板与竖直墙面之间,设墙面对球的弹力大小为FN1,木板对球的弹力大小为FN2,以木板与墙面连接点所形成的水平直线为轴,将木板从图示位置开始缓慢地转到水平位置,不计摩擦,在此过程中 ( )
A.FN1始终减小,FN2始终增大
B.FN1始终减小,FN2始终减小
C.FN1先增大后减小,FN2始终减小
D.FN1先增大后减小,FN2先减小后增大
针对训练
√
解析:法一:解析法
如图所示,由平衡条件得FN1=,FN2=,随θ逐渐增大到90°,tan θ、sin θ都逐渐增大,FN1、FN2都逐渐减小,B正确。
法二:图解法
对球受力分析,球受3个力:重力G、墙面对球的弹力FN1和木板对球的弹力FN2,当木板逐渐转至水平的过程中,球始终处于平衡状态,即FN1与FN2的合力F始终竖直向上,大小等于球受到的重力G,如图所示,由图可知FN1的方向不变,
大小逐渐减小,FN2的方向发生变化,
大小也逐渐减小,B正确。
2.(2025·广东潮州期末)用如图所示的推车搬运货物,推车的底板和背板互相垂直,工人缓慢下压把手,使背板由竖直转向水平,推车和货物的状态由图甲变到图乙。在该过程中不计货物与推车间的摩擦力,货物对底板的压力为N1、对背板的压力为N2。则该过程两压力大小变化情况是 ( )
A.N1逐渐减小到零
B.N1先减小后增加
C.N2增加到无穷大
D.N2先增加后减小
√
解析:使背板由竖直转向水平,设背板与竖直方向的夹角为θ,则θ从0°增加到90°;以货物为研究对象,根据平衡条件可得N1'=mgcos θ,N2'=mgsin θ,可知底板对货物的支持力N1'逐渐减小到零,背板对货物的支持力N2'逐渐增大到货物重力mg;根据牛顿第三定律可知,货物对底板的压力N1逐渐减小到零,对背板的压力N2逐渐增大到货物重力mg。故选A。
综合提能(三)
平衡中的临界、极值问题
1.临界问题
(1)问题界定:物体所处平衡状态将要发生变化的状态为临界状态,涉及临界状态的问题为临界问题。
(2)问题特点:
①当某物理量发生变化时,会引起其他几个物理量的变化。
②注意某现象“恰好出现”或“恰好不出现”的条件。
(3)分析方法:基本方法是假设推理法,即先假设某种情况成立,然后根据平衡条件及有关知识进行论证、求解。
融通知能
2.极值问题
(1)问题界定:物体平衡的极值问题,一般指在力的变化过程中涉及力的最大值和最小值的问题。
(2)分析方法
解析法 根据物体平衡的条件列出方程,在解方程时,采用数学知识求极值或者根据物理临界条件求极值
图解法 根据物体平衡的条件作出力的矢量图,画出平行四边形或者矢量三角形进行动态分析,确定最大值或最小值
[典例] 如图甲、乙所示,质量为m的物体置于倾角为θ的固定斜面上,物体与斜面之间的动摩擦因数为μ,先用平行于斜面的推力F1作用于物体上使其恰能沿斜面匀速上滑,若改用水平推力F2作用于物体上,也恰能使物体沿斜面匀速上
滑,则两次的推力之比为( )
A.cos θ+μsin θ B.cos θ-μsin θ C.1+μtan θ D.1-μtan θ
典例体验
√
[解析] 物体在力F1作用下和力F2作用下运动时的受力如图(a)、(b)所示。
将重力mg、力F2沿斜面方向和垂直于斜面方向正交分解,由平衡条件可得:
F1=mgsin θ+f1,FN1=mgcos θ,f1=μFN1,
F2cos θ=mgsin θ+f2,
FN2=mgcos θ+F2sin θ,f2=μFN2,
解得:F1=mgsin θ+μmgcos θ,
F2=,
故=cos θ-μsin θ,B正确。
/方法技巧/
临界与极值问题的分析技巧
(1)求解平衡中的临界问题和极值问题时,首先要正确地进行受力分析和变化过程分析,找出平衡中的临界点和极值点。
(2)临界条件必须在变化中寻找,不能停留在一个状态来研究临界问题,而是要把某个物理量推向极端,即极大或极小,并依此作出科学的推理分析,从而给出判断或结论。
1.将两个质量均为m的小球a、b用细线相连后,再用细线悬挂于O点,如图所示。用力F拉小球b,使两个小球都处于静止状态,且细线OA与竖直方向的夹角保持θ=30 °,重力
加速度为g,则F的最小值为 ( )
A.mg B.mg
C.mg D.mg
针对训练
√
解析:以a、b为整体,整体受重力2mg、细线OA
的拉力T及拉力F三个力而平衡,如图所示,三个力构
成的矢量三角形中,当力F垂直于细线OA的拉力T时有
最小值,且最小值F=2mgsin θ=mg,B正确。
2.质量为M的木楔倾角为θ,在水平面上保持
静止,当将一质量为m的木块放在木楔斜面上时,
它正好匀速下滑。如果用与木楔斜面成α角的力F
拉着木块匀速上升,如图所示(已知木楔在整个过
程中始终静止)。
(1)当α=θ时,拉力F有最小值,求此最小值;
答案:mgsin 2θ
解析:木块在木楔斜面上匀速向下运动时,有
mgsin θ=μmgcos θ,即μ=tan θ。
木块在力F作用下沿斜面向上匀速运动,有
Fcos α=mgsin θ+f,Fsin α+FN=mgcos θ,f=μFN
解得F===
则当α=θ时,F有最小值,为Fmin=mgsin 2θ。
(2)当α=θ时,木楔对水平面的摩擦力是多大?
答案:mgsin 4θ
解析:因为木块及木楔均处于平衡状态,整体受到地面的摩擦力等于F的水平分力,即f'=Fcos(α+θ)
当α=θ时,F取最小值mgsin 2θ,
所以fm'=Fmincos 2θ=mg·sin 2θ·cos 2θ=mgsin 4θ。
课时跟踪检测
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1.如图所示,工厂为晾干一批染色钢管,工人师傅将其通过一轻质细绳搁置于水平天花板和水平地面之间,关于此模型下列说法正确的是 ( )
A.细绳对钢管的拉力方向可能不沿绳
B.钢管相对地面有向左的运动趋势
C.钢管一定受水平向左的摩擦力
D.地面对钢管的作用力沿竖直方向
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解析:细绳对钢管的拉力方向一定沿绳的方向,A错误;细绳的拉力有水平向右的分量,可知钢管相对地面有向右的运动趋势,则钢管一定受水平向左的摩擦力,B错误,C正确;地面对钢管有竖直向上的支持力和水平向左的摩擦力,则地面对钢管的作用力不是沿竖直方向,D错误。
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2.如图所示,在水平力F的作用下,木块
A、B保持静止。若木块A与B的接触面是水平
的,且F≠0。则关于木块B的受力个数,可能
是 ( )
A.3个或4个 B.3个或5个
C.4个或5个 D.4个或6个
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解析:木块B一定受重力和A对它的压力;将A、B看成整体,因整体保持静止,所以B一定受斜面的支持力;隔离木块A并对其受力分析,因A静止,故A一定受B的静摩擦力,故B也一定受A的静摩擦力;斜面对木块B可能有静摩擦力的作用,也可能没有。综上所述,C正确。
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3.如图所示,对斜面上的物体施加一个沿斜面向上的拉力F作用时,物体恰能沿斜面匀速下滑,在此过程中斜面体相对水平地面静止不动,则水平地面对斜面体 ( )
A.摩擦力等于零
B.有摩擦力,方向水平向右
C.有摩擦力,方向水平向左
D.有摩擦力,方向不能确定
√
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解析:以物体和斜面体整体为研究对象,受整体重力、地面的支持力、摩擦力和拉力,如图,根据平衡条件得FN+Fsin θ=(M+m)g,f=Fcos θ,所以水平地面对斜面体有摩擦力的作用,方向水平向左。
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4.(多选)如图所示,质量为m的小球a和质量为3m的小球b分别用轻弹簧A、B连接并悬挂在天花板上处于静止状态。现用水平力F缓慢拉a,当轻弹簧A与竖直方向夹角为45°时,弹簧A、B的伸长量刚好相等,在此状态下,以下判断正确的是(设轻弹簧A、B的劲度系数分别为k1、k2,重力加速度取g) ( )
A.k1∶k2=4∶3
B.k1∶k2=1∶
C.水平拉力F的大小为mg
D.轻弹簧A的弹力大小为4mg
√
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解析:把a、b球看成一个整体受力分析,如图,由平衡条件,可得FA=,F=4mgtan 45°,解得FA=4mg,F=4mg,故C错误,D正确;把b球隔离出来受力分析,可得FB=3mg,根据胡克定律,有FA=k1x,FB=k2x,联立可得k1∶k2=4∶3,故A正确;B错误。
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5.如图所示,两个质量都是m的小球A、B用
轻杆连接后斜放在墙上处于平衡状态。已知墙面
光滑,水平地面粗糙,现将A球向下移动一小段
距离,两球再次达到平衡,那么将移动后的平衡
状态和原来的平衡状态比较,地面对B球的支持
力FN和地面对B球的摩擦力f的变化情况是 ( )
A.FN不变 B.FN变大
C.f不变 D.f变小
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解析:对整体进行受力分析,知竖直方向:
FN=2mg,移动两球后,仍然平衡,则FN仍然等
于2mg,所以FN不变;水平方向:地面对B的摩
擦力f等于竖直墙壁对A的弹力;再隔离对A进行
受力分析,墙壁对A球的弹力F弹=mgtan θ;当A
球向下移动一小段距离,夹角θ增大,所以F弹增大,地面对B球的摩擦力f变大。故A正确,B、C、D错误。
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6.(2024·广东揭阳高一统考期末)(多选)轻绳A端固定,用轻质动滑轮将重物挂于轻绳上,如图所示。当滑轮静止后,将轻绳B端缓慢沿虚线 ( )
A.向右移动,绳子的弹力不变
B.向右移动,绳子的弹力变大
C.向上移动,绳子的弹力不变
D.向上移动,绳子的弹力变小
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解析:设绳子与竖直方向之间的夹角为θ,绳子上的弹力大小为FT,根据平衡条件得mg=2FTcos θ,解得FT=,将轻绳B端缓慢沿虚线向右移动,θ变大,绳子的弹力变大,A错误,B正确;将轻绳B端缓慢沿虚线向上移动,θ不变,绳子的弹力不变,C正确,D错误。
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7.如图所示,质量为m的木块A放在质量为M的三角形斜劈上,现用大小均为F、方向相反的水平力分别推A和B,它们均静止不动,则(重力加速度取g) ( )
A.A与B之间一定存在摩擦力
B.B与地面之间可能存在摩擦力
C.B对A的支持力可能小于mg
D.地面对B的支持力为Mg
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解析:对A、B整体受力分析,如图所示,受到重
力(M+m)g、支持力FN和已知的两个推力F,对于整体,
由于两个推力刚好平衡,故整体与地面间没有摩擦力,
且有FN=(M+m)g,故B、D错误;对A受力分析,A至少受重力mg、推力F、B对A的支持力FN',当推力F沿斜面的分力大于重力沿斜面的分力时,摩擦力的方向沿斜面向下,当推力F沿斜面的分力小于重力沿斜面的分力时,摩擦力的方向沿斜面向上,当推力F沿斜面的分力等于重力沿斜面的分力时,摩擦力为零,A错误;在垂直斜面方向上有FN'=mgcos θ+Fsin θ(θ为斜劈倾角),故FN'可能小于mg,C正确。
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8.(2025·清远高一检测)如图甲所示,在一根固定不动的圆弧形树枝上,小鸟有时停在圆弧上的A点,有时停在圆弧上的最底点B。图乙为该情景的示意图。对于这两个点
下列分析正确的是 ( )
A.小鸟停在A点时,受到的支持力较小
B.小鸟停在B点时,对树枝的压力较小
C.小鸟停在A点时,受到的摩擦力较小
D.小鸟停在B点时,受到树枝的作用力较小
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解析:设小鸟的重力为mg,过小鸟在树枝上位置的切线的倾角为θ,则小鸟所受支持力大小为N=mgcos θ,所受摩擦力大小为f=mgsin θ,因为过A点的切线的倾角比过B点的切线的倾角大,所以小鸟停在B点时受到的支持力较大,根据牛顿第三定律可知,小鸟停在B点时对树枝的压力较大,小鸟停在A点时受到的摩擦力较大,故A正确,B、C错误;小鸟停在A点或B点时所受树枝的作用力都和小鸟的重力平衡,所以两个位置树枝对小鸟的作用力相等,故D错误。
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9.如图轻绳绕过固定在天花板上的小滑轮,绳A端握在站在地上的人手中,B端系一重为G的小球,小球靠在固定的光滑半球面上,人通过轻绳将小球沿球面DC缓缓拉动一小段距离过程中,下列判断不正确的是 ( )
A.人的拉力逐渐变大
B.球面对球的支持力大小不变
C.人的拉力逐渐变小
D.可认为小球的合外力为零
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解析:设小球受到的拉力为T,受到的支持力为FN,滑轮距离球面的高度为h,半球面半径为R,对小球受力分析如图所示,设球距离滑轮距离为L,根据几何三角形与力三角形相似,有==,设人的拉力为F,则有T=F,故有==,整理得FN=,F=,则球面对球的支持力FN始终保持不变,但由于球
与滑轮的距离L不断减小,故拉力F不断减小,
A错误,B、C正确;小球缓缓被拉动,即可认
为小球的合外力为零,D正确。
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10.(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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11.(16分)如图所示,粗糙水平地面上放着一
个截面为半圆的柱状物体A,物体A与竖直墙之间
放一光滑半圆球B,整个装置处于平衡状态。已
知A、B的质量分别为m和M,半圆球B与柱状物
体A半径均为R,半圆球B的球心到水平地面的竖
直距离为R,重力加速度为g。求:
(1)地面对物体A的支持力大小;(8分)
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答案:(M+m)g
解析:把A、B看成一个系统,对其运用整体法,该系统在竖直方向上受到竖直向下的重力(M+m)g和地面的支持力F的作用,二力平衡,所以F=(M+m)g。
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(2)地面对物体A的摩擦力大小。(8分)
答案:Mg
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解析:在水平方向上,该系统肯定受到竖
直墙水平向右的弹力的作用,那么一定也受到
地面水平向左的摩擦力,并且摩擦力大小等于
弹力大小;再选取半圆球B为研究对象,运用
隔离法,受力分析如图所示。根据力的分解和力的平衡条件可得:F1=,F2=Mgtan θ,半圆球B的球心到水平地面的竖直距离为R,所以θ=45°,所以F2=Mg根据受力分析,地面对物体A的摩擦力大小等于F2,所以地面对物体A的摩擦力大小为Mg。
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12.(18分)一般教室门上都安装一种暗锁,这种暗锁由外壳A、骨架B、弹簧C(劲度系数为k)、锁舌D(倾角θ=30°)、锁槽E以及连杆、锁头等部件组成,如图甲所示。设锁舌D的侧面与外壳A和锁槽E之间的动摩擦因数均为μ,最大静摩擦力fmax由fmax=μFN(FN为正压力)求得。有一次放学后,当某同学准备关门时,无论用多大的力,也不能将门关上(这种现象称为自锁),此刻暗锁所处的状态的俯视图如图乙所示,P为锁舌D与锁槽E之间的
接触点,弹簧由于被压缩
而缩短了x。
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(1)求自锁状态时锁舌D的下表面所受摩擦力的方向;(5分)
答案:方向向右
解析:锁舌D受力分析如图所示,由于锁舌D有向左运动的趋势,故锁舌D所受到的最大静摩擦力为f1,其方向向右。
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(2)求此时(自锁时)锁舌D与锁槽E之间的正压力的大小;(6分)
答案:
解析:设锁舌D受到锁槽E的最大静摩擦力为f2,正压力为FN,下表面的正压力为F,弹簧的弹力为kx,由平衡条件可得:
kx+f1+f2cos θ-FNsin θ=0,
F-FNcos θ-f2sin θ=0
又有:f1=μF,f2=μFN,解得:FN=。
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(3)无论用多大的力拉门,暗锁仍然能够保持自锁状态,则μ至少要多大?(7分)
答案:0.27
解析:无论用多大的力拉门,暗锁仍然能够保持自锁状态,说明压力FN无穷大,即:1-2μ-μ2=0
解得:μ=2-≈0.27。
本课结束
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