高考物理二轮复习热点题型归纳专题01：力与力的平衡 （原卷版）

专题01：力与力的平衡考点01摩擦力的分析与计算 1考点02物体的静态平衡问题 3考点03物体的动态平衡问题 5考点04电磁场中的平衡问题 9考点01摩擦力的分析与计算【考点诠释】1．摩擦力的有无及方向的判断方法(1)假设法。(2)状态法：根据平衡条件、牛顿第二定律，判断静摩擦力的有无及方向。(3)牛顿第三定律法：先确定受力较少的物体受到的静摩擦力的方向，再根据“力的相互性”确定另一物体受到的静摩擦力方向。2．求解摩擦力的技巧【典例1】（2022·河南省洛阳三模）如图所示，一同学推动木箱在水平地面上匀速运动，关于该同学的推力，下列判断正确的是（）A.方向水平时推力最小B方向斜向下时可能比方向水平时推力小C.方向斜向上时一定比方向水平时推力小D.方向斜向上时可能比方向水平时推力小【答案】D【解析】对木箱受力分析，竖直方向，受重力和支持力作用，水平方向滑动摩擦力，根据SKIPIF1<0当推力水平时，有SKIPIF1<0当推力斜向下时，与水平夹角为SKIPIF1<0，有SKIPIF1<0当推力斜向上时，与水平夹角为SKIPIF1<0，有SKIPIF1<0联立可得SKIPIF1<0故选D【变式1-1】（2022·历城二中压轴卷）木块A、B分别重50N和30N，它们与水平地面之间的动摩擦因数均为0.2，与A、B相连接的轻弹簧被压缩了5cm，系统置于水平地面上静止不动，已知弹簧的劲度系数为100N/m。用水平向右的力F＝1N作用在木块A上，如图所示，则木块A所受摩擦力大小是9N，方向向右 B.木块A所受摩擦力大小是4N，方向向右C.木块B所受摩擦力大小是6N，方向向左 D.木块B所受摩擦力大小是4N，方向向左考点02物体的静态平衡问题【考点诠释】1．研究对象选取的2点技巧(1)采用整体法进行受力分析时，要注意系统内各个物体的状态应该相同。(2)当直接分析一个物体的受力不方便时，可转移研究对象，先分析另一个物体的受力，再根据牛顿第三定律分析该物体的受力，此法叫“转换研究对象法”。2．求解共点力平衡问题的常用方法常用方法包括力的合成法、分解法及正交分解法，示意图如图所示。合成法分解法正交分解法【典例2】（2022·广东省普宁二中适应性考试）如图，一直梯靠竖直墙壁放置，人站在梯子上，处于静止状态，忽略梯子与墙壁间的摩擦力，则下列说法正确的是（）A.人越重，梯子所受合外力越大B.地面对梯子支持力的大小与人所站的高度无关C.墙壁对梯子弹力方向垂直于梯子所在平面斜向上D.地面对梯子的摩擦力大于墙壁对梯子的弹力【答案】B【解析】A．梯子处于平衡状态，所受合外力总为零，选项A错误；B．地面对梯子支持力的大小等于人与梯子的重力之和，与人所站的高度无关，选项B正确；C．墙壁对梯子的弹力方向垂直于墙壁沿水平方向，选项C错误；D．水平方向受力平衡，则地面对梯子的摩擦力等于墙壁对梯子的弹力，选项D错误。故选B。【变式2-1】（2022·安徽省马鞍山市三模）如图所示，轻杆通过铰链与重物（可看作质点）连接，静止靠在竖直墙壁上，墙壁光滑，水平地面粗糙。则（）A.地面对杆的支持力大于重物的重力B.杆对重物的弹力等于重物的重力C.若使重物缓慢向下移动一小段距离，则地面的摩擦力变大D.若墙壁粗糙，地面光滑，重物仍可以在原位置静止靠在墙壁上【变式2-2】（2021浙江）2021年5月15日，天问一号着陆器在成功着陆火星表面的过程中，经大气层SKIPIF1<0的减速，速度从SKIPIF1<0减为SKIPIF1<0；打开降落伞后，经过SKIPIF1<0速度进一步减为SKIPIF1<0；与降落伞分离，打开发动机减速后处于悬停状态；经过对着陆点的探测后平稳着陆。若打开降落伞至分离前的运动可视为竖直向下运动，则着陆器（）A.打开降落伞前，只受到气体阻力的作用B.打开降落伞至分离前，受到的合力方向竖直向上C.打开降落伞至分离前，只受到浮力和气体阻力的作用D.悬停状态中，发动机喷火的反作用力与气体阻力是平衡力考点03物体的动态平衡问题【考点诠释】方法1解析法的应用此法常用于可以较简捷列出平衡条件方程的情况或者正交分解的情况(1)先受力分析，得出物体受哪几个力而处于平衡状态。(2)建立直角坐标系，正交分解力，列平衡条件方程，或在力的三角形中结合三角形知识列平衡条件方程。(3)分析方程中的变量有哪些，分析题目信息得到这些物理量是如何变化的。(4)把分析得到的变化的物理量代入方程，得到平衡条件下的受力动态变化情况。方法2图解法的应用此处常用于物体受三个力作用，其中一个力大小、方向不变，另一个力的方向不变的情景，思路如下：(1)先受力分析，得出物体受几个力而处于平衡状态。(2)分析题目给出的信息，判断物体受力的变化方式。(3)把受力对应到几何图形中结合几何知识分析。方法3三角形相似法的应用此法是图解法的特例，一般研究对象受绳(杆)或其他物体的约束，从几何形状来看，有一个边大小不变，方向改变，还有一个边的大小、方向均不变。且物体受到三个力的作用，其中的一个力大小、方向均不变，另外两个力的方向都发生变化，可以用力三角形与几何三角形相似的方法。【典例3】（2022·安徽省芜湖市质检）2021年11月23日，在体操世界杯德国科特布斯站吊环决赛中，刘洋以15.133分的成绩获得冠军。如图甲所示是刘洋在比赛中的“十字支撑”动作，运动员先双手向下撑住吊环，此时两根等长的吊绳沿竖直方向，然后双臂缓慢张开，身体下移，如图乙所示，则在两手之间的距离增大的过程中，吊环的两根绳的拉力SKIPIF1<0（假设两个拉力大小相等）及它们的合力SKIPIF1<0的大小变化情况为（）A.SKIPIF1<0增大，SKIPIF1<0增大 B.SKIPIF1<0增大，SKIPIF1<0不变C.SKIPIF1<0增大，SKIPIF1<0减小 D.SKIPIF1<0减小，SKIPIF1<0不变【答案】B【解析】设绳子与竖直方向的夹角为α，则有SKIPIF1<0α逐渐增大，所以SKIPIF1<0增大，绳子的合力与运动员的重力平衡，所以合力不变。故选B【变式3-1】（2021·山东省适应性练习）无人机经常应用于应急救援物资的输送。在一次救援物资输送的过程中，无人机与下方用轻绳悬挂的救援物资一起在空中沿水平方向做匀速运动，救援物资受到与运动方向相反的空气阻力作用，当无人机改变速度大小仍然沿水平方向匀速运动时，绳子与竖直方向的夹角变大，则无人机速度改变后比改变前（）A.绳子的张力变小B.救援物资受到的空气阻力变小C.无人机受到的重力和绳子拉力的合力大小变大D.无人机受到的重力和绳子拉力的合力大小不变【变式3-2】（2021湖南）质量为SKIPIF1<0的凹槽静止在水平地面上，内壁为半圆柱面，截面如图所示，SKIPIF1<0为半圆的最低点，SKIPIF1<0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SKIPIF1<0的小滑块。用推力SKIPIF1<0推动小滑块由A点向SKIPIF1<0点缓慢移动，力SKIPIF1<0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SKIPIF1<0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【变式3-3】（2022·山东省适应性练习）无人机经常应用于应急救援物资的输送。在一次救援物资输送的过程中，无人机与下方用轻绳悬挂的救援物资一起在空中沿水平方向做匀速运动，救援物资受到与运动方向相反的空气阻力作用，当无人机改变速度大小仍然沿水平方向匀速运动时，绳子与竖直方向的夹角变大，则无人机速度改变后比改变前（）A.绳子的张力变小B.救援物资受到的空气阻力变小C.无人机受到的重力和绳子拉力的合力大小变大D.无人机受到的重力和绳子拉力的合力大小不变【变式3-4】两个可视为质点的小球a和b，用轻杆相连，放置在一个光滑的半球面内，如图所示。已知小球a和b的质量之比为3，轻杆长度是球面半径的2倍。两球处于平衡状态时，轻杆与水平面的夹角θ是（）A.45° B.30° C.22.5° D.15°考点04电磁场中的平衡问题【考点诠释】1．基本思路要坚持“电学问题、力学方法”的基本思路，结合电学的基本规律和力学中的受力分析及平衡条件解决问题。2．几点注意(1)点电荷间的作用力大小要用库仑定律。(2)安培力方向的判断要先判断磁场方向、电流方向，再用左手定则，同时注意将立体图转化为平面图。(3)电场力或安培力的出现，可能会对弹力或摩擦力产生影响。(4)涉及电路问题时，要注意闭合电路欧姆定律的应用。【典例4】如图所示，金属杆MN用两根绝缘细线悬于天花板的O、O′点，杆中通有垂直于纸面向里的恒定电流，空间有竖直向上的匀强磁场，杆静止时处于水平，悬线与竖直方向的夹角为θ，若将磁场在竖直面内沿逆时针方向缓慢转过90°，在转动过程中通过改变磁场磁感应强度大小来保持悬线与竖直方向的夹角不变，则在转动过程中，磁场的磁感应强度大小的变化情况是()一直减小B．一直增大C．先减小后增大D．先增大后减小【答案】C【解析】磁场在旋转的过程中，杆处于平衡状态，杆所受重力的大小和方向不变，悬线的拉力方向不变，由图解法结合左手定则可知，在磁场旋转的过程中，安培力先减小后增大，由F＝BIL可知，磁场的磁感应强度先减小后增大，故选C.【变式4-1】如图，空间存在一方向水平向右的匀强电场，两个带电小球P和Q用相同的绝缘细绳悬挂在水平天花板下，两细绳都恰好与天花板垂直，则()A.P和Q都带正电荷B.P和Q都带负电荷C.P带正电荷，Q带负电荷D.P带负电荷，Q带正电荷【易错01】力的合成与分解1．按效果分解(1)分解原则：根据力的作用效果确定分力的方向，然后再画出力的平行四边形．(2)基本思路【易错02】共点力的平衡1．平衡状态(1)物体处于静止或匀速直线运动的状态．(2)对“平衡状态”的理解不管是静止还是匀速直线运动，速度保持不变，所以Δv＝0，a＝eq\f(Δv,Δt)，对应加速度为零，速度为零不代表a＝0.2．共点力平衡的条件(1)共点力平衡的条件是合力为0.(2)表示为：F合＝0；或将各力分解到x轴和y轴上，满足Fx合＝0，且Fy合＝0.①二力平衡：若物体在两个力作用下处于平衡状态，则这两个力一定等大、反向、共线．②三力平衡：若物体在三个共点力作用下处于平衡状态，则其中任意两个力的合力与第三个力等大、反向、共线．③多力平衡：若物体在多个共点力作用下处于平衡状态，则其中任意一个力与其余所有力的合力等大、反向、共线．当物体受三个力平衡，将表示这三个力的有向线段依次首尾相连，则会构成一个矢量三角形，表示合力为0.【易错03】动态力的平衡通用方法：（1）解析法：对研究对象进行受力分析，先画出受力示意图，再根据物体的平衡条件列式求解，得到因变量与自变量的一般函数表达式，最后根据自变量的变化确定因变量的变化。常用方法：（2）图解法：对研究对象在动态变化过程中的若干状态进行受力分析，在同一图中作出物体在若干状态下所受的力的平行四边形，由各边的长度变化及角度变化来确定力的大小及方向的变化，此即为图解法，它是求解动态平衡问题的基本方法。此法的优点是能将各力的大小、方向等变化趋势形象、直观地反映出来，大大降低了解题难度和计算强度。此法常用于求解三力平衡且有一个力是恒力、另有一个力方向不变的问题。（3）三角形法：对受三力作用而平衡的物体，将力的矢量图平移使三力组成一个首尾依次相接的矢量三角形，根据正弦定理、余弦定理或相似三角形、直角三角形等数学知识求解未知力。（4）相似三角形法：在三力平衡问题中，如果有一个力是恒力，另外两个力方向都变化，且题目给出了空间几何关系，多数情况下力的矢量三角形与空间几何三角形相似，可利用相似三角形对应边成比例进行计算。1.用卡车运输质量为m的匀质圆筒状工件，为使工件保持固定，将其置于两光滑斜面之间，如图所示．两斜面I、Ⅱ固定在车上，倾角分别为30°和60°．重力加速度为g．当卡车沿平直公路匀速行驶时，圆筒对斜面I、Ⅱ压力的大小分别为F1、F2，则A．SKIPIF1<0 B．SKIPIF1<0C．SKIPIF1<0 D．SKIPIF1<02.如图，一粗糙斜面固定在地面上，斜面顶端装有一光滑定滑轮．一细绳跨过滑轮，其一端悬挂物块N．另一端与斜面上的物块M相连，系统处于静止状态．现用水平向左的拉力缓慢拉动N，直至悬挂N的细绳与竖直方向成45°．已知M始终保持静止，则在此过程中（）A.水平拉力的大小可能保持不变B.M所受细绳的拉力大小一定一直增加C.M所受斜面的摩擦力大小一定一直增加D.M所受斜面的摩擦力大小可能先减小后增加3.如图所示，小明撑杆使船离岸，则下列说法正确的是A．小明与船之间存在摩擦力B．杆的弯曲是由于受到杆对小明的力C．杆对岸的力大于岸对杆的力D．小明对杆的力和岸对杆的力是一对相互作用力4.小明在观察如图所示的沙子堆积时，发现沙子会自然堆积成圆锥体，且在不断堆积过程中，材料相同的沙子自然堆积成的圆锥体的最大底角都是相同的．小明测出这堆沙子的底部周长为31.4m，利用物理知识测得沙子之间的摩擦因数为0.5，估算出这堆沙子的体积最接近（）A．60m3 B．200m3 C．250m3 D．500m31、（2022·广东卷·T1）图是可用来制作豆腐的石磨。木柄SKIPIF1<0静止时，连接SKIPIF1<0的轻绳处于绷紧状态。O点是三根轻绳的结点，F、SKIPIF1<0和SKIPIF1<0分别表示三根绳的拉力大小，SKIPIF1<0且SKIPIF1<0。下列关系式正确的是（）A.SKIPIF1<0 B.SKIPIF1<0 C.SKIPIF1<0 D.SKIPIF1<02、（2022·浙江6月卷·T10）如图所示，一轻质晒衣架静置于水平地面上，水平横杆与四根相同的斜杆垂直，两斜杆夹角SKIPIF1<0°。一重为SKIPIF1<0的物体悬挂在横杆中点，则每根斜杆受到地面的（）A.作用力为SKIPIF1<0 B.作用力为SKIPIF1<0C.摩擦力为SKIPIF1<0 D.摩擦力为SKIPIF1<03、（2022·浙江6月卷·T3）如图所示，鱼儿摆尾击水跃出水面，吞食荷花花瓣的过程中，下列说法正确的是（）A.鱼儿吞食花瓣时鱼儿受力平衡B.鱼儿摆尾出水时浮力大于重力C.鱼儿摆尾击水时受到水的作用力D.研究鱼儿摆尾击水跃出水面的动作可把鱼儿视为质点4、（2022·浙江1月卷·T5）如图所示，学校门口水平地面上有一质量为m的石墩，石墩与水平地面间的动摩擦因数为SKIPIF1<0，工作人员用轻绳按图示方式匀速移动石墩时，两平行轻绳与水平面间的夹角均为SKIPIF1<0，则下列说法正确的是（）A.轻绳的合拉力大小为SKIPIF1<0B.轻绳的合拉力大小为SKIPIF1<0C.减小夹角SKIPIF1<0，轻绳的合拉力一定减小D.轻绳的合拉力最小时，地面对石墩的摩擦力也最小5、（2022·浙江1月卷·T4）如图所示，公园里有一仿制我国古代欹器的U形水桶，桶可绕水平轴转动，水管口持续有水流出，过一段时间桶会翻转一次，决定桶能否翻转的主要因素是（）A.水桶自身重力的大小B.水管每秒出水量的大小C.水流对桶撞击力的大小D.水桶与水整体的重心高低1、（2021·天津市二检）如图所示，质量为M的斜面静置在水平地面上，斜面上有一质量为m的小物块，水平力F作用在小物块上时，两者均保持静止，斜面受到水平地面的静摩擦力为f1，小物块受到斜面的静摩擦力为f2。现使F逐渐增大，两者仍处于静止状态，则（）A.f1、f2都增大B.f1、f2可能都减小C.f1一定增大，f2可能减小D.f1不一定增大，f2一定增大2.(2021·开封检测)如图所示，物体A靠在竖直的墙面C上，在竖直向上的力F作用下，A、B物体保持静止，则物体A受力分析示意图正确的是()ABCD3.(2021·福建泉港一中期末)如图所示，细绳上端固定于天花板上的A点，细绳的下端挂一质量为m的物体P，用力F作用于细绳上的O点；使细绳偏离竖直方向的夹角为α，且保持物体平衡，此时F与水平方向的夹角为β，若β＝α，重力加速度为g，则F的大小等于()A．mgcosαB．mgsinαC．mgtanαD．eq\f(mg,sinα)4．(2021·吉林省实验中学模拟)如图所示，物块A和滑环B用绕过光滑定滑轮的不可伸长的轻绳连接，滑环B套在与竖直方向成θ＝37°的粗细均匀的固定杆上，连接滑环B的绳与杆垂直并在同一竖直平面内，滑环B恰好不能下滑，滑环和杆间的动摩擦因数μ＝0.4，设滑环和杆间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则物块A和滑环B的质量之比为()A．eq\f(13,5)B．eq\f(5,7)C．eq\f(7,5)D．eq\f(5,13)1.(2021·济南市高三质量评估)如图所示，将小物块P轻轻放到半圆柱体上时，小物块只能在圆柱体上A到B之间保持静止。若小物块与半圆柱体之间的动摩擦因数为eq\f(\r(3),3)，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则∠AOB为()A．30°B．60°C．90°D．120°2．(2021·武汉市调研)如图所示，水平地面上固定着一个三棱柱，其左侧光滑，倾角为α；右侧粗糙，倾角为β。放置在三棱柱上的物块A和物块B通过一根跨过顶端光滑定滑轮的细绳相连，若物块A和物块B始终保持静止。下列说法正确的是()A．仅增大角α(小于90°)，物块B所受的摩擦力一定增大B．仅增大角α(小于90°)，物块B对三棱柱的压力可能减小C．仅增大角β(小于90°)，细绳的拉力一定增大D．仅增大角β(小于90°)，地面对三棱柱的支持力不变3．(2021·合肥市高三一模)如图所示，倾斜直杆的左端固定在水平地面上，与水平面成θ角，杆上穿有质量为m的小球a和轻质圆环b，两者通过一条细绳跨过定滑轮相连接。当a、b静止时，Oa段绳与杆的夹角也为θ，不计一切摩擦，重力加速度为g。则下列说法正确的是()A．a可能受到2个力的作用B．b可能受到3个力的作用C．绳对a的拉力大小为mgtanθD．杆对a的支持力大小为mgcosθ4．(2021·江西七校高三联考)如图所示，木板P下端通过光滑铰链固定于水平地面上的O点，物体A、B叠放在木板上且处于静止状态，此时物体B的上表面水平。现使木板P绕O点缓慢旋转到虚线所示位置，物体A、B仍保持静止，与原位置相比()A．A对B的作用力减小 B．B对A的支持力增大C．木板对B的支持力增大 D．木板对B的摩擦力增大5.某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴(横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示1mm)的纸贴在桌面上，如图(a)所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外)，另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长。(1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O。此时拉力F的大小可由测力计读出。测力计的示数如图(b)所示，F的大小为________N。(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A点，现使用两个测力计同时拉橡皮筋，再次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2N和F2＝5.6N。(ⅰ)用5mm长度的线段表示1N的力，以O点为作用点，在图(a)中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力F合；(ⅱ)F合的大小为________N，F合与拉力F的夹角的正切值为________。若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则。6．某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，所用器材有：方木板一块、白纸、量程为5N的弹簧测力计两个、橡皮条(带两个较长的细绳套)、刻度尺、图钉(若干个)。(1)具体操作前，同学们提出了如下关于实验操作的建议，其中正确的有________。A．橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上B．重复实验再次进行验证时，结点O的位置可以与前一次不同C．使用测力计时，施力方向应沿测力计轴线，读数时视线应正对测力计刻度D．用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计时的拉力(2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验，白纸上留下的标注信息有结点位置O、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点，如图所示。其中对于提高实验精度最有利的是________。11．(2020·四川省绵阳南山中学高三月考)如图所示，物体甲放置在水平地面上，通过跨过定滑轮的轻绳与小球乙相连，整个系统处于静止状态。现对小球乙施加一个水平力F，使小球乙缓慢上升一小段距离，整个过程中物体甲保持静止，甲受到地面的摩擦力为f，则该过程中A．f变小，F变大 B．f变小，F变小C．f变大，F变小 D．f变大，F变大7．如图所示，一足够长的斜面体静置于粗糙水平地面上，一小物块沿着斜面体匀速下滑，现对小物块施加一水平向右的恒力F，当物块运动到最低点之前，下列说法正确的是A．物块与斜面体间的弹力不变B．物块与斜面体间的摩擦力增大C．斜面体与地面间的弹力不变D．斜面体与地面间的摩擦力始终为08．如图所示，重100N的物体A放在倾角为30°的粗糙斜面上，有一根原长为15cm，劲度系数为500N/m的弹簧，其一端固定在斜面底端，另一端放置物体A后，弹簧长度缩短为10cm，若滑块与斜面间最大静摩擦力为25N，现用一测力计沿斜面向上拉物体，当弹簧的长度仍为10cm时，测力计读数可能为()A．10N B．30N C．50N D．70N9．《大国工匠》节目中讲述了王进利用“秋千法”在1000kV的高压线上带电作业的过程。如图所示，绝缘轻绳OD一端固定在高压线杆塔上的O点，另一端固定在兜篮上。另一绝缘轻绳跨过固定在杆塔上C点的定滑轮，一端连接兜篮，另一端由工人控制。身穿屏蔽服的王进坐在兜篮里，缓慢地从C点运动到处于O点正下方E点的电缆处。绳OD一直处于伸直状态，兜篮、王进及携带的设备总质量为m，不计一切阻力，重力加速度大小为g。关于王进从C点运动到E点的过程中，下列说法正确的是()A．工人对绳的拉力一直变大B．绳OD的拉力一直变大C．OD、CD两绳拉力的合力大小等于mgD．当绳CD与竖直方向的夹角为30°时，工人对绳的拉力为SKIPIF1<0mg10.如图所示，倾角为θ的斜面体C置于水平地面上，小物块B置于斜面上，通过细绳跨过光滑的定滑轮与物体A相连接，连接B的一段细绳与斜面平行