增分微点3　立体空间共点力的平衡问题-2026版大一轮高考物理复习

立体空间共点力的平衡问题类型竖直分力与重力平衡例1(2024·浙江模拟预测)如图1所示，用杆秤称量中药。三根长度相同的细绳对称地系于圆形秤盘上。中药和秤盘的总质量为m，则当杆秤稳定时()图1A.每根细绳的拉力大小为eq\f(mg,3)B.增加细绳长度时每根绳拉力均减少C.增加细绳长度时秤砣应向右移动D.增加细绳长度时手对秤拉力增大答案B解析设每根细绳与竖直方向的夹角为θ，根据受力平衡有3FTcosθ＝mg，可得FT＝eq\f(mg,3cosθ)>eq\f(mg,3)，故A错误；增加细绳长度时，细绳与竖直方向的夹角θ变小，则cosθ变大，每根绳拉力均减少，故B正确；增加细绳长度时，杆右端受到拉力大小等于中药和秤盘的总重力mg保持不变，则秤砣位置不变，手对秤拉力不变，故C、D错误。1.(2024·江苏模拟预测)如图2所示，篝火晚会中某同学用三根等长的轻杆交叉做成简易的烧烤架放在水平地面上，交叉固定点为O，再用一根轻绳将质量为m的烧水锅静止悬挂在O点。已知三根轻杆与竖直方向的夹角均为30°，重力加速度为g，则每根轻杆对O点的作用力为()图2A.eq\f(2\r(3),9)mg B.eq\f(2,3)mgC.eq\f(1,3)mg D.eq\f(\r(3),3)mg答案A解析根据共点力平衡，三根杆对O点的弹力沿竖直方向的分力之和等于锅的重力，有3Fcos30°＝mg，解得F＝eq\f(2\r(3),9)mg，故A正确。类型立体空间变平面例2(2024·沈阳市高三质量监测)如图3甲所示为一直角斜槽，斜槽的棱MN与水平面的夹角为θ，两槽面关于竖直面对称。图乙是斜槽的截面图，一个横截面为正方形的物块恰能沿此斜槽匀速下滑。若两槽面的材料相同，则物块和槽面之间的动摩擦因数为()图3A.eq\f(1,2)tanθ B.eq\f(\r(2),2)tanθC.tanθ D.eq\r(2)tanθ答案B解析对物块受力分析，如图所示，在垂直于斜槽的平面内，有2FNcos45°＝mgcosθ，在物块下滑方向，有2Ff＝mgsinθ，其中Ff＝μFN，联立解得μ＝eq\f(\r(2),2)tanθ，B正确。2.(2024·河北衡水高三期中)如图4所示，解放军战士在水平地面上拉着轮胎做匀速直线运动进行负荷训练，运动过程中保持双肩及两绳的端点A、B等高。两绳间的夹角为θ＝60°，所构成的平面与水平面间的夹角恒为α＝53°，轮胎重为G，地面对轮胎的摩擦阻力大小恒为Ff，则每根绳的拉力大小为()图4A.eq\f(2\r(3),9)Ff B.eq\f(\r(3),2)FfC.eq\f(5\r(3),9)Ff D.eq\f(2\r(3),3)Ff答案C解析设每根绳的拉力为F，则这两根绳拉力的合力F合＝2Fcoseq\f(θ,2)，方向沿两绳夹角的角平分线，与水平面的夹角为α，轮胎受力分析如图所示，则F合cosα＝Ff，解得F＝eq\f(Ff,2cosαcos\f(θ,2))＝eq\f(5\r(3),9)Ff，故A、B、D错误，C正确。1.(2023·江苏卷，7)如图1所示，“嫦娥五号”探测器静止在月球平坦表面处。已知探测器质量为m，四条腿与竖直方向的夹角均为θ，月球表面的重力加速度为地球表面重力加速度g的eq\f(1,6)。每条腿对月球表面压力的大小为()图1A.eq\f(mg,4) B.eq\f(mg,4cosθ)C.eq\f(mg,6cosθ) D.eq\f(mg,24)答案D解析由于探测器静止在月球平坦表面处，月球表面对每条腿的支持力都竖直向上，则4FN＝m·eq\f(1,6)g，解得FN＝eq\f(mg,24)，根据牛顿第三定律可知每条腿对月球表面的压力大小为eq\f(mg,24)，D正确，A、B、C错误。2.(2024·福建泉州模拟)港珠澳大桥的人工岛创新围岛填土在世界范围内首次提出深插式圆钢筒快速成岛技术，1600t起重船“振浮8号”吊起巨型钢筒直接固定在海床上插入到海底，然后在中间填土形成人工岛，如图2甲，每个圆钢筒的直径为22.5m，高度为55m，质量为550t，由若干根特制起吊绳通过液压机械抓手连接钢筒。某次试吊将一个圆钢筒吊在空中，每根绳与竖直方向的夹角为30°，如图乙所示，每根绳所能承受的最大拉力为8.0×105N，图乙中仅画出两根起吊绳，则至少需要多少根绳子才能成功起吊(eq\r(3)＝1.732，g＝10m/s2)()图2A.7根 B.8根C.9根 D.10根答案B解析设n根绳拉力在竖直方向的分量之和与重力大小相等、方向相反，则mg＝nFcos30°，由题知F≤8.0×105N，得n≥eq\f(mg,Fcos30°)＝eq\f(550×103×10,8.0×105×\f(\r(3),2))≈7.94，即至少需要8根绳子才能成功起吊，故B正确。3.(2024·浙江名校联考)如图3为一名健身者正在拉绳锻炼，已知健身者质量为50kg，双手对绳的拉力均为100N，两根绳间夹角θ＝60°，两根绳关于上方连接的总绳对称且跟总绳处于同一平面，总绳与竖直方向的夹角为30°。若健身者处于静止状态，健身者与地面间的动摩擦因数为0.5，绳的质量忽略不计，取g＝10m/s2，则健身者受地面的支持力FN和摩擦力Ff分别为()图3A.FN＝350N，Ff＝25NB.FN＝(500－50eq\r(3))N，Ff＝50eq\r(3)NC.FN＝350N，Ff＝50eq\r(3)ND.FN＝350N，Ff＝175N答案C解析根据题意可知，总绳对人的作用力大小为F＝2×100N×cos30°＝100eq\r(3)N，对人受力分析，如图所示，由平衡条件有Ff＝Fsin30°＝50eq\r(3)N，Fcos30°＋FN＝mg，解得FN＝350N，故C正确。4.(2024·江苏南京模拟预测)如图4所示，质量为M、半径为R的光滑匀质球，用一根长度也为R的细线悬挂在互相垂直的两竖直墙壁交线处的P点，则球对任一墙壁的压力大小为()图4A.eq\f(\r(2),4)Mg B.eq\f(\r(2),2)MgC.eq\f(\r(3),3)Mg D.eq\f(\r(6),6)Mg答案B解析对球进行受力分析，球受重力Mg、绳子的拉力T及两个墙壁对它的支持力，两个支持力大小相等，夹角为90°，设支持力的大小为FN、绳子与竖直墙壁交线的夹角为θ，根据几何知识可知球心到竖直墙壁交线的垂直距离为d＝eq\r(R2＋R2)＝eq\r(2)R，故sinθ＝eq\f(d,2R)＝eq\f(\r(2),2)，解得θ＝45°，在竖直方向上根据受力平衡可得Tcosθ＝Mg，解得T＝eq\r(2)Mg，在水平方向上根据受力平衡可知两个墙壁对球的支持力的合力大小等于绳子拉力T的水平分力的大小，即eq\r(Feq\o\al(2,N)＋Feq\o\al(2,N))＝Tsinθ，解得FN＝eq\f(\r(2),2)Mg，根据牛顿第三定律可得球对任一墙壁的压力大小为eq\f(\r(2),2)Mg，故B正确。5.(2024·山东模拟预测)孔府是中国传统建筑的杰出代表，采用了瓦片屋顶，屋顶结构可简化为如图5，弧形瓦片静止在两根相互平行的倾斜椽子正中间。已知椽子与水平面夹角均为θ，瓦片质量为m，重力加速度为g，则()图5A.每根椽子对瓦片的摩擦力大小为0.5mgsinθB.每根椽子对瓦片的支持力大小为0.5mgcosθC.椽子对瓦片支持力的合力大小为mgD.椽子对瓦片作用力的合力大小为mgcosθ答案A解析摩擦力方向与椽子平行，两根椽子对瓦片的摩擦力的合力为mgsinθ，所以每根椽子对瓦片的摩擦力大小为0.5mgsinθ，故A正确；两根椽子对瓦片的支持力的合力为mgcosθ，瓦片有弧度，所以每根椽子对瓦片的支持力大小不是0.5mgcosθ，故B、C错误；椽子对瓦片的作用力包括支持力和摩擦力，合力大小为mg，故D错误。6.(2024·山东潍坊高三期末)如图6所示，“V”形槽两侧面的夹角为60°，槽的两侧面与水平面的夹角相同。质量为m的圆柱形工件放在“V”形槽中，当槽的棱与水平面的夹角为37°时，工件恰好能匀速下滑，重力加速度为g，sin37°＝0.6，则()图6A.工件对槽每个侧面的压力均为mgB.工件对槽每个侧面的压力均为eq\f(2,5)mgC.工件与槽间的动摩擦因数为eq\f(3,10)D.工件与槽间的动摩擦因数为eq\f(3,8)答案D解析工件匀速下滑，在任意方向上合力都为零，将工件的重力分解到沿“V”形槽向下和垂直“V”形槽向下，作出工件受力侧视平面图如图甲，根据平衡条件知Ff＝mgsin37°，FN＝mgcos37°，作出垂直于“V”形槽方向的受力平面图如图乙，“V”形槽两侧面的夹角为60°，所以两侧面对工件的弹力夹角为120°，则合力FN＝F1＝mgcos37°＝eq\f(4,5)mg，故A、B错误；“V”形槽两侧面对工件的摩擦力Ff1方向相同，大小都为μF1，则2Ff1＝2μF1＝Ff，所以Ff1＝0.3mg，代入可解得μ＝eq\f(Ff1,F1)＝eq\f(3,8)，故C错误，D正确。甲乙7.(多选)张鹏同学在家帮妈妈洗完衣服后，把衣服挂在如图7所示的晾衣架上晾晒，A、B为竖直墙壁上等高的两点，AO、BO为长度相等的两根轻绳，CO为一根轻杆。转轴C在AB中点D的正下方，AOB在同一水平面上。∠AOB＝60°，∠DOC＝30°，衣服质量为m，重力加速度为g。则()图7A.CO杆所受的压力大小为2mgB.CO杆所受的压力大小为eq\f(2\r(3),3)mgC.AO绳所受的拉力大小为eq\r(3)mgD.BO绳所受的拉力大小为mg答案AD解析以O点为研究对象，O点受到衣服的拉力FT、CO杆的支持力F