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1、2022年高考物理第一輪復(fù)習(xí) 補(bǔ)充資料 第2單元 相互作用6 相互作用專題2-自招
一.知識(shí)點(diǎn)
1.重心
2.摩擦角、自鎖區(qū)
3.力矩
4.平衡的種類與條件(共點(diǎn)力平衡、定軸平衡、剛體平衡)
5.虛功原理
二.典例解析
1.重心
【例1】(xx?同濟(jì))如圖(a)所示,一根細(xì)長(zhǎng)的硬棒上有3個(gè)小球,每個(gè)小球之間相距a,小球質(zhì)量為m、2m和3m,棒的質(zhì)量分布均勻,總長(zhǎng)為4a,質(zhì)量為4m,求整個(gè)體系的重心位置。
O
a
r
O1
R
變式1:均勻圓板的半徑為R,在板內(nèi)挖去一個(gè)半徑為r的小圓,兩個(gè)圓心相距為a,求剩余部分的重心與原圓板圓心的距離
2、
變式2:求三角板與三角框的重心
勻質(zhì)三角板的重心在哪?
勻質(zhì)三角框的重心在哪?
2.摩擦力、摩擦角、自鎖區(qū)
【例2】一個(gè)質(zhì)量m=20kg的鋼件,架在兩根完全相同的、平行的長(zhǎng)直圓柱上,如圖所示,鋼件的重心與兩柱等距,兩柱的軸線在同一水平面內(nèi),圓柱的半徑r=0.025m,鋼件與圓柱間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.20,兩圓柱各繞自己的軸線做轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)動(dòng),角速度ω=40rad/s,若沿平行于柱軸方向施加力推著鋼件做速度為v0=0.05m/s的勻速運(yùn)動(dòng),推力是多大?設(shè)鋼件左右受光滑槽限制(圖中未畫(huà)出),不發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng).g取10m/s2.
3、
【例3】(xx年華約)明理同學(xué)平時(shí)注意鍛煉身體,力量較大,最多能提起m=50kg的物體。一重物放置在傾角θ=15°的粗糙斜坡上,重物與斜坡間的摩擦因數(shù)為μ=?≈0.58。試求該同學(xué)向上拉動(dòng)的重物質(zhì)量M的最大值??
【變式】如圖所示,AOB是一把等臂夾子,軸O處的摩擦不計(jì),若想在A、B處用力去夾一個(gè)圓形物體C,則能否夾住與那些因素有關(guān)?這些因素應(yīng)該滿足什么條件?(不考慮圓柱形物體受到的重力)
3.力矩
【例4】(xx清華大學(xué))如圖,一根光滑均勻細(xì)棒質(zhì)量為m,一端通過(guò)光滑鉸鏈固定在地上,另一端擱在方形木塊上,初始時(shí)細(xì)棒
4、和地面夾角為,現(xiàn)使方形木塊很緩慢地向正左方運(yùn)動(dòng),則細(xì)棒在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,受到木塊的作用力:
A.一直增大
B.一直減小
C.先增大后減小
D.先減小后增大
【變式1】(復(fù)旦)一根輕桿下端與一個(gè)半徑為R,重力為G的光滑球相連,桿上段可繞軸O自由轉(zhuǎn)動(dòng),桿長(zhǎng)L,桿與球始終在同一直線上,O點(diǎn)還掛有一根系有重物的細(xì)繩,如圖所示,重物的重力為G′,則平衡后桿與豎直方向的夾角α
【變式2】(xx?西安交大)重為80kg的人沿如圖所示的梯子從底部向上攀登,梯子質(zhì)量為25kg,頂角為30°。已知AC和CE都為5m長(zhǎng)且用鉸鏈在
5、C點(diǎn)處相連。BD為一段輕繩,兩端固定在梯子高度一半處。設(shè)梯子與地面的摩擦可以忽略,求在人向上攀登過(guò)程中輕繩中張力的變化規(guī)律(g取10m/s2)。
4.平衡的種類與條件(共點(diǎn)力平衡、定軸平衡、剛體平衡)
略
5.虛功原理
【例5】一質(zhì)量為M、均勻分布的圓環(huán),其半徑為r,幾何軸與水平面垂直,若它能經(jīng)受的最大張力為T(mén),求此圓環(huán)可以繞幾何軸旋轉(zhuǎn)的最大角速度.
【變式1】如圖所示,一個(gè)半徑為R的光滑球面置于水平桌面上.球面上有一條光滑勻質(zhì)軟繩,一端固定于球面頂點(diǎn)A,另一端恰好與桌面不接觸,且單位長(zhǎng)度軟繩的質(zhì)量為ρ.求軟繩A
6、端所受的水平拉力及軟繩所受球面的支持力.
【變式2】如圖所示,將質(zhì)量為M的勻質(zhì)鏈條套在一表面光滑、頂角為α的圓錐上,設(shè)圓錐底面水平,鏈條靜止時(shí)也處于水平,求鏈條中的張力的大小。
典例解析答案
例1【答案】
【解析1】以棒的左端為原點(diǎn),沿棒向右建立坐標(biāo)軸,由公式:,
解得:,即重心在距棒的左端2.2a處。
【解析2】由力矩平衡求解,設(shè)重心在距棒的左端xc處,如圖(b)所示。在重心處加一豎起向上的力F使棒平衡,由。
取左側(cè)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸,物體平衡,由,
,解得:。
變式1【答案】
變式2【答案
7、】勻質(zhì)三角板的重心在中線的交點(diǎn)上; 勻質(zhì)三角框的重心在三邊中點(diǎn)構(gòu)成的新三角形的角平分線的交點(diǎn)上(內(nèi)心)
例2【答案】2N(關(guān)鍵是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向)
例3【答案】(利用摩擦角求F的極小值對(duì)應(yīng)的方向,進(jìn)而得M的范圍)
變式: (或 )(列臨界方程或不等式,或利用摩擦角)
例4【答案】C(列力矩平衡方程)
【解析】方形木塊很緩慢地向正左方運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,細(xì)棒處于轉(zhuǎn)動(dòng)平衡。設(shè)木塊高為a,細(xì)棒長(zhǎng)為L(zhǎng),重為G,則有:,解得:
變式1【答案】(力矩平衡)
變式2【答案】T=(125+160x)tan150(N)(x為人離A點(diǎn)的距離,力矩平衡)
【解析】設(shè)梯、人的質(zhì)量
8、分別為M、m,人離A點(diǎn)的距離為x,A、E兩點(diǎn)的支持力為N1、N2,則N1+N2=(M+m)g
整個(gè)梯子處于轉(zhuǎn)動(dòng)平衡,以A為轉(zhuǎn)動(dòng)軸有:
AC處于轉(zhuǎn)動(dòng)平衡,以C為轉(zhuǎn)動(dòng)軸有:
解得:T=(125+160x)tan150(N)
例5【解析】因?yàn)橄蛐牧=mrω2,當(dāng)ω一定時(shí),r越大,向心力越大,所以要想求最大張力T所對(duì)應(yīng)的角速度ω,r應(yīng)取最大值,如圖3—6所示。在圓環(huán)上取一小段△L,對(duì)應(yīng)的圓心角為△θ,其質(zhì)量可表示為,受圓環(huán)對(duì)它的張力為T(mén),則同上例分析可得 因?yàn)椤鳓群苄?,所以,?
解得最大角速度
變式1【答案】;。(本題可用微元法,也可用虛功原理——更簡(jiǎn)捷)
【解析】
9、(1)取軟繩中一微段(所對(duì)圓心角為?θ)研究,受力情況如圖所示.沿圓弧切線方向有,即,其中,即該弧段在豎直方向上的投影,將上式累加后易得最上端A處所受的拉力(最下端處所受的拉力為0)
另由,得:.
(2)設(shè)想在A處將軟繩緩慢拉過(guò),由于球面對(duì)軟繩各處的支持力都沿半徑向外,故拉動(dòng)過(guò)程中只有A端拉力T和軟繩重力做功.同時(shí)軟繩重力勢(shì)能的變化情況等同于軟繩最下端一段x段移至柱面的最高處,而其余部分重力勢(shì)能當(dāng)成不變,故,其中得:.
變式2【答案】 (本題可用微元法或虛功原理)
三.對(duì)應(yīng)練習(xí)
1.(xx?上海交大)如圖(a )所示,一均勻細(xì)桿長(zhǎng)1m,重量為W,在距其上端25cm處用一釘子將其釘
10、在鉛直墻面上,使細(xì)桿可繞此釘子無(wú)摩擦地旋轉(zhuǎn)。今施一水平力于其上端,使細(xì)桿偏離鉛垂線角(<90°)而平衡,則釘子作用在細(xì)桿上的力的量值為 。
2、(北大保送生考試)如圖所示,P為一個(gè)水閘的剖面圖,閘門(mén)質(zhì)量為m,寬度為b,水閘兩側(cè)水面高分別為h1、h2,水與閘門(mén)間、閘門(mén)與軌道間的動(dòng)摩擦因數(shù)分別為,求拉起閘門(mén)至少需要多大的力?
3.(2004上海交大)半徑為R的勻質(zhì)半球體置于水平面上,其重心在球心O正下方C點(diǎn)處。OC=3R/8。半球質(zhì)量為m。在半球的平面上放一質(zhì)量為m/8的物體,它與半球平面間的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2,如圖(a)所示,則物
11、體剛要開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)離球心的最大距離為_(kāi)___________。
。
4、(上海交大自主)如圖所示,一試管倒插在一水銀槽內(nèi),封閉一部分氣體,使試管在水面保持靜止,此時(shí)試管露出水面部分長(zhǎng)度b=1cm,玻璃管質(zhì)量m=40g,橫截面積S=2cm2,大氣壓強(qiáng)p0=105Pa,玻璃管壁厚度不計(jì),管內(nèi)空氣質(zhì)量不計(jì),g取10m/s2。
(1)求玻璃管內(nèi)外水面的高度差。
(2)用手拿住玻璃管并緩慢把它壓入水中,當(dāng)管的A端在水面下超過(guò)某一深度時(shí),放手后玻璃管不浮起,求這個(gè)深度。
(3)上一問(wèn)中放手后玻璃管的位置是否變化?如何變動(dòng)?
5、(xx?
12、北大)如圖,質(zhì)量為m的正方體放在水平面上,現(xiàn)在圖示頂角A處加一個(gè)力F,要求物體能被推倒但不滑動(dòng),動(dòng)摩擦因數(shù)μ至少多大?此種情況下F的大小又如何?
對(duì)應(yīng)練習(xí)答案
1. 【解析】由三力共點(diǎn)知識(shí)可知N的方向如圖(b)所示。
以釘為軸,有,其中l(wèi) =0.25m。
得水平力F =Wtanθ。
因而,
2、【解析】左側(cè)和右側(cè)水對(duì)閘門(mén)向右和向左的壓力分別為:
由水平方向合力為零可知,軌道與閘門(mén)之間的彈力N滿足:,即。提起閘門(mén)時(shí)在一開(kāi)始所需的拉力最大,其值為:
3.【答案】0.6R
【解析】設(shè)臨界情況下直徑與水平面夾θ角,如圖(b)所示。對(duì)整體有:
解得:。
而對(duì)物體有:
解得:,
所以,
4、【解析】(1)由。
(2)玻璃管不浮起時(shí),即處于懸浮狀態(tài),故封閉氣體長(zhǎng)仍為0.2m。
由:
得: y = 0.51m。
(3)設(shè)想玻璃管下沉一點(diǎn),水進(jìn)入后會(huì)進(jìn)一步下沉,直到沉入水底為止,故這個(gè)位置是不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
5、【解析】正方體翻轉(zhuǎn)至AC連線與水平方向成θ角時(shí),設(shè)此時(shí)A處拉力F與豎直方向成角,并設(shè)AC = L,則由轉(zhuǎn)動(dòng)平衡條件可得:
正方體不動(dòng)須滿足:
即:
顯然,θ增大時(shí),也增大,α減小時(shí),()也減小。
θ
α
故極端情況取θ為最小值,α取最大值,即取,
故得,此種情況下,F(xiàn)m=mg/2。