物体的受力分析;共点力作用下的物体的平衡

物体的受力分析共点力作用下的物体的平衡

【本讲教育信息】

一. 教学内容：

1. 物体的受力分析（隔离法与整体法）

2. 共点力作用下的物体的平衡

【要点扫描】

一、物体的受力分析（隔离法与整体法）

（一）物体受力分析方法

把指定的研究对象在特定的物理情景中所受到的所有外力找出来，并画出受力图，就是受力分析。对物体实行准确地受力分析，是解决好力学问题的关键。

1、受力分析的顺序：先找重力，再找接触力（弹力、摩擦力），最后分析其它力（场力、浮力等）

2、受力分析的几个步骤．

①灵活选择研究对象：也就是说根据解题的目的，从体系中隔离出所要研究的某一个物体，或从物体中隔离出某一部分作为单独的研究对象，对它实行受力分析。

所选择的研究对象要与周围环境联系密切并且已知量尽量多；对于较复杂的问题，因为物体系各部分相互制约，有时要同时隔离几个研究对象才能解决问题．究竟怎样选择研究对象要依题意灵活处理。

②对研究对象周围环境实行分析：除了重力外查看哪些物体与研究对象直接接触，对它有力的作用。凡是直接接触的环境都不能漏掉分析，而不直接接触的环境千万不要考虑进来．然后按照重力、弹力、摩擦力的顺序实行力的分析，根据各种力的产生条件和所满足的物理规律，确定它们的存有或大小、方向、作用点。

③审查研究对象的运动状态：是平衡状态还是加速状态等等，根据它所处的状态有时能够确定某些力是否存有或对某些力的方向作出判断。

④根据上述分析，画出研究对象的受力分析图；把各力的方向、作用点（线）准确地表示出来。

3、受力分析的三个判断依据：

①从力的概念判断，寻找施力物体；

②从力的性质判断，寻找产生原因；

③从力的效果判断，寻找是否产生形变或改变运动状态。

（二）隔离法与整体法

1、整体法：以几个物体构成的整个系统为研究对象实行求解的方法。在很多问题中用整体法比较方便，但整体法不能求解系统的内力。

2、隔离法：把系统分成若干部分并隔离开来，分别以每一部分为研究对象实行受力分析，分别列出方程，再联立求解的方法。

3、通常在分析外力对系统作用时，用整体法；在分析系统内各物体之间的相互作用时，用隔离法。有时在解答一个问题时要多次选择研究对象，需要整体法与隔离法交叉使用

二、共点力作用下的物体的平衡

（一）共点力

物体同时受几个力的作用，如果这几个力都作用于物体的同一点或者它们的作用线交于同一点，这几个力叫共点力．

（二）平衡状态

物体保持静止或匀速直线运动状态（或有固定转轴的物体匀速转动）．

说明：这里的静止需要二个条件，一是物体受到的合外力为零，二是物体的速度为零，仅速度为零时物体不一定处于静止状态，如物体做竖直上抛运动达到最高点时刻，物体速度为零，但物体不是处于静止状态，因为物体受到的合外力不为零．

（三）共点力作用下物体的平衡条件

物体受到的合外力为零．即F合=0

说明：①三力汇交原理：当物体受到三个非平行的共点力作用而平衡时，这三个力必交于一点；

②物体受到N个共点力作用而处于平衡状态时，取出其中的一个力，则这个力必与剩下的（N-1）个力的合力等大反向。

③若采用正交分解法求平衡问题，则其平衡条件为：F X合=0，F Y合=0；

（四）平衡的临界问题

由某种物理现象变化为另一种物理现象或由某种物理状态变化为另一种物理状态时，发生转折的状态叫临界状态，临界状态能够理解为“恰好出现”或“恰好不出现”某种现象的状态。平衡物体的临界状态是指物体所处的平衡状态将要发生变化的状态。往往利用“恰好出现”或“恰好不出现”的条件。

（五）平衡的极值问题

极值是指研究平衡问题中某物理量变化情况时出现的最大值或最小值。可分为简单极值问题和条件极值问题。

【规律方法】

一、物体的受力分析（隔离法与整体法）

1. 物体的受力分析

【例1】以下四种情况中，物体处于平衡状态的有（）

A. 竖直上抛物体达最高点时

B. 做匀速圆周运动的物体

C. 单摆摆球通过平衡位置时

D. 弹簧振子通过平衡位置时

解析：竖直上抛物体在到达最高点时a=g，匀速圆周运动物体的加速度a=v2/R，单摆摆球通过平衡位置时，水平切向加速度a切=0，法向加速度a法=v2/R，合加速度a=v2/R，弹簧振子通过平衡位置时，a=0，故D准确

思考：单摆摆到最高点时是否平衡状态？

【例2】如图所示，小车M在恒力作用下，沿水平地面做直线运动，由此能够判断（）

A. 若地面光滑，则小车一定受三个力作用

B. 若地面粗糙，则小车可能受三个力作用

C. 若小车做匀速运动，则小车一定受四个力作用

D. 若小车做加速运动，则小车可能受三个力作用

解析：因为F的垂直分力可能等于重力，所以地面可能对物体无弹力作用，A选项错误。F有竖直分力可能小于重力，地面对物体有弹力作用，若地面粗糙，小车受摩擦力作用，共受四个力，B选项错误。若小车做匀速运动，则水平方向所受的摩擦力与F的水平分力平衡，这时一定受重力、弹力、拉力F和摩擦力四个力的作用，C选项准确；若小车做加速运动，，当地面光滑时，小车受重力和F力的作用或受重力和F力及地面的弹力的作用，D选项准确。

答案：CD

说明：①在常见的几种力中，重力是主动力，而弹力、摩擦力是被动力，其中存有弹力又是摩擦力存有的前提，所以分析受力时应按重力、弹力、摩擦力的顺序去分析。

②物体的受力情况要与其运动情况相符。所以，常常从物体的运动状态入手，去分析某个力是否存有。如本例中对选项C、D的分析。

2. 物体受力分析常用的方法及注意点

（1）隔离法与整体法

将研究对象与周围物体分隔或将相对位置不变的物体系作为一个整体来分析。

（2）假设法

在未知某力是否存有时，可先对其作出存有或不存有的假设，然后再就该力存有与不存有对物体运动状态是否产生影响来判断该力是否存有。

（3）注意要点

①研究对象的受力图，通常只画出根据性质命名的力，不要把按效果分解的分力或合力分析进去，受力图完成后再实行力的合成或分解。

②区分内力和外力，对几个物体的整体实行受力分析时，这几个物体间的作用力为内力，不能在受力图中出现，当把某一物体单独隔离分析时，原来的内力变成了外力，要画在受力图上。

③在难以确定物体的某些受力情况时，可先根据（或确定）物体的运动状态，再使用平衡条件或牛顿定律判定未知力。

【例3】如图所示，A、B两物体排放在水平面上，在水平力F的作用下处于静止状态．在以下情况中对B实行受力分析，

（1）B与水平面间无摩擦；

（2）B与水平面间及B、A之间都存有摩擦．

解析：（1）B只受两个力的作用，重力和平面对它竖直向上的支持力。这里不存有A 对B的压力和摩擦力。因为假若存有其中的一个力，这个力会有一个向右的水平分量。其结果B一定会向右加速运动，这与题意不符．用这种方法能够分析出多余的力。

（2）若F＞f Am，这种情况B受五个力的作用．如图所示，对A受力分析可知，因为A 有沿面向上运动趋势，所以B对A的摩擦力沿面向下，根据牛顿第三定律A对B的摩擦力是沿面向上即f2。这种方法能够解决漏掉力的现象。

3. 优先考虑整体法

【例4】有一个直角支架AOB，AO水平放置,表面粗糙, OB竖直向下,表面光滑。AO上套有小环P，OB上套有小环Q，两环质量均为m，两环由一根质量可忽略、不可伸长的细绳相连，并在某一位置平衡（如图所示）。现将P环向左移一小段距离，两环再次达到平衡，那么将移动后的平衡状态和原来的平衡状态比较，AO杆对P环的支持力F N和摩擦力f的变化情况是（B）

A. F N不变，f变大

B. F N不变，f变小

C. F N变大，f变大

D. F N变大，f变小

解：以两环和细绳整体为对象求F N，可知竖直方向上始终二力平衡，F N=2mg不变；以Q环为对象，在重力、细绳拉力F和OB压力N作用下平衡，设细绳和竖直方向的夹角为α，则P环向左移的过程中α将减小，N=mgtanα也将减小。再以整体为对象，水平方向只有OB对Q的压力N和OA 对P环的摩擦力f作用，所以f=N也减小。答案选B。

【例5】如图，有一箱装得很满的土豆，以一定的初速度在动摩擦因数为μ的水平地面上做匀减速运动，不计其他外力及空气阻力，则中间一质量为m的土豆A受到其他土豆对它的作用力大小应是（C）

A. mg

B. μmg

C. 2

1μ

mg D. 2

-

+

1μ

二、共点力作用下的物体的平衡

1、用平衡条件解题的常用方法

（1）力的三角形法

物体受同一平面内三个互不平行的力作用平衡时，这三个力的矢量箭头首尾相接，构成一个矢量三角形；反之，若三个力矢量箭头首尾相接恰好构成三角形，则这三个力的合力必为零。利用三角形法，根据正弦定理、余弦定理或相似三角形等数学知识可求得未知力。

（2）力的合成法

物体受三个力作用而平衡时，其中任意两个力的合力必跟第三个力等大反向，可利用力的平行四边形定则，根据正弦定理、余弦定理或相似三角形等数学知识求解．

（3）正交分解法

将各个力分别分解到x 轴上和y 轴上，使用两坐标轴上的合力等于零的条件，多用于三个以上共点力作用下的物体的平衡．值得注意的是，对x 、y 轴方向选择时，尽可能使落在x 、y 轴上的力多；被分解的力尽可能是已知力，不宜分解待求力。

【例1】重为G 的木块与水平地面间的动摩擦因数为μ，一人欲用最小的作用力F 使木板做匀速运动，则此最小作用力的大小和方向应如何？

解析：取物块为研究对象，在与水平面夹θ角斜向右上方的拉力F 作用下，物块沿水平面向右做匀速直线运动，此时，物块的受力情况如图所示，建立起水平向右为x 轴正方向、竖直向上为y 轴正方向的直角坐标系，沿两坐标轴方向列出平衡方程为

Fcos θ－f=0；Fsin θ+N －mg=0。

考虑到动摩擦力f 与正压力N 间的关系，又有 f=μN.

由上述三个方程消去未知量N 和f ，将F 表示为θ的函数，得

F=μmg/（cos θ+μsin θ），

对上述表达式作变换，又可表示为F=21)cos(μαθμ+-mg

，其中tan α=μ.

由此可知，当θ=arctan μ时，拉力F 可取得最小值F min =μmg/21μ+.

其实，此例题可用“几何方法”分析求解：对物块做匀速直线运动时所受的四个力来说，重力mg 的大小、方向均恒定；拉力F 的大小和方向均未确定；因为支持力N 与动摩擦力f 的比值是确定的，做其合力R 的大小未确定而方向是确定的（与竖直线夹α角），于是，把N 与f 合成为一个力R ，物块所受的四个力即可等效地视为三个力R 、mg 和F ，而这三个力的矢量关系可由图来表示。

由图便很容易得出结论：当拉力F 与水平面夹角为 α=arctan μ时，将取得最小值 F min =mgsin α=21μμ+mg

说明：力的三角形法与正交分解法是解决共点力平衡问题的最常见的两种解法．前者适于三力平衡问题，简捷、直观．后者适于多力平衡问题，是基本的解法，但有时有冗长的演算过程，所以要灵活地选择解题方法。

【例2】如图所示，质量为m的物体放在水平放置的钢板C上，物体与钢板的动摩擦因数为μ，因为光滑导槽AB的控制，该物体只能沿水平导槽运动，现使钢板以速度v向右运动，同时用力F沿导槽方向拉动物体使其以速度v1沿槽运动，则F的大小（B）

A. 等于μmg

B. 大于μmg

C. 小于μmg

D. 不能确定

解析：物体m竖直方向上重力与支持力相互平衡，水平面上有F、f滑、N A、N B四个力，物体m的运动状态是平衡状态，N A与N B的合力向右，大小为（N A－N B），F与（N A－N B）的合力应等于反方向的摩擦力f滑，由图可知，显然满足滑动摩擦力的方向与合力运动方向相反的事实，故B项准确。

2、动态平衡问题的分析

在相关物体平衡问题中，存有着大量的动态平衡问题，所谓动态平衡问题是指通过控制某些物理量，使物体的状态发生缓慢的变化，而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态．解动态问题的关键是抓住不变量，依据不变的量来确定其他量的变化规律，常用的分析方法有解析法和图解法。

解析法的基本程序是：对研究对象的任一状态实行受力分析，建立平衡方程，求出应变物理量与自变物理量的一般函数关系式，然后根据自变量的变化情况及变化区间确定应变物理量的变化情况

图解法的基本程序是：对研究对象在状态变化过程中的若干状态实行受力分析，依据某一参量的变化（一般为某一角度），在同一图中作出物体在若干状态下的平衡力图（力的平行四边形或力的三角形），再由动态的力的平行四边形或三角形的边的长度变化及角度变化确定某些力的大小及方向的变化情况。

【例3】固定在水平面上的光滑半球，半径为R，球心O的正上方固定一个小定滑轮，细线一端拴一小球，置于半球面的A点，另一端绕过A点，现缓慢地将小球从A点拉到B点，则此过程中，小球对半球的压力F N、细线的拉力F的大小变化情况是：（C ）

A. F N变大，F不变

B. F N变小，F变大

C. F N 不变，F 变小

D. F N 变大，F 变小；

解析：（1）三角形法

小球缓慢运动合力为零，因为重力G 、半球的弹力F N 、绳的拉力F 的方向分别沿竖直方向、半径方向、绳收缩的方向，所以由G 、F N 、F 组成的力的三角形与几何三角形△AOC 相似，所以有： AC F OC mg R F N ==，F N =mg OC R ，F=mg OC

AC 拉动过程中，AC 变小，OC 与R 不变，所以F N 不变，F 变小。

（2）正交分解法

水平方向上：F N sin α－Fsin β=0………①

竖直方向上：F N cos α－Fcos β－G=0…………②

由以上二式得F=Gsin α/sin （α＋β）③

()β+αβ=sin /sin G F N ④

设A 到OC 间的距离为X ，则sin α=R X ，sin β=L

X ，△AOC 中由正弦定理得： ()[]

βα+-+0180sin R d =βsin R ，解得()β+αsin =()LR X R d +，将sin α、sin β、sin （α＋β）代入表达式③④得F=

R d GL +，F N =R

d GR +，可见在L 减小时，R 与d ＋R 均不变，F N 不变，F 变小。

3、三力汇交原理与三角形相似法

物体在共面的三个力作用下处于平衡时，若三个力不平行，则三个力必共点．这就是三力汇交原理

【例4】重力为G 的均质杆一端放在粗糙的水平面上，另一端系在一条水平绳上，杆与水平面成α角，如图所示，已知水平绳中的张力大小为F 1，求地面对杆下端的作用力大小和方向？

解析：地面对杆的作用力是地面对杆的弹力和摩擦力的两个力的合力，这样杆共受三个彼此不平行的作用力，根据三力汇交原理知三力必为共点力，如图所示，设F 与水平方向夹

角为β，根据平衡条件有：Fsin β=G ，Fcos β=F 1，解得F=212F G +，β=arctan 1

F G

当物体处于平衡状态时，由力的合成分解作出平行四边形，由三角形相似可列式求解．

【例5】如图所示，在竖直墙上用绝缘物固定一带电体A ，在其正上方的点O 用长为L 的绝缘丝悬挂一带电小球B ，因为带电体间的相互排斥而使丝线成β角．后因为漏电使β减小，

问此过程中丝线对带电小球的拉力的变化情况．

解析：由受力分析可知，带电小球B 受三个力的作用：重力G ；线的拉力T 及A 的静

电斥力F ，受力分析如图，这三个力组成的力三角形与△ABO 相似，可得OA OB G T 。因OA 、OB 及G 都是恒量，所以在此变化过程中丝线对小球的拉力T 保持不变。

【模拟试题】

1. 如图所示，有一重力为G 的圆柱体放置在水平桌面上，用一夹角为60°、两夹边完全相同的人字夹水平将其夹住（夹角仍不变），圆柱体始终静止。

试问：（1）若人字夹内侧光滑，其任一侧与圆柱体间的弹力大小也等于G ，则圆柱体与桌面间的摩擦力的大小为多少？

（2）若人字夹内侧粗糙，其任一侧与圆柱体间的弹力大小仍等于G ，欲使圆柱体对桌面的压力为零，则整个人字夹对圆柱体摩擦力的大小为多少？方向如何？

2. 如图所示，倾角为θ的斜面A 固定在水平面上。木块B 、C 的质量分别为M 、m ，始终保持相对静止，共同沿斜面下滑。B 的上表面保持水平，A 、B 间的动摩擦因数为μ。（1）当B 、C 共同匀速下滑；（2）当B 、C 共同加速下滑时，分别求B 、C 所受的各力。

3. 如图所示，一圆柱形容器上部圆筒较细，下部圆筒较粗且充足长，容器的底是一可沿圆筒无摩擦移动的活塞S ，用细绳通过测力计F 将活塞提着。容器中盛水。开始时，水面与上圆筒的开口处在同一水平面，在提着活塞的同时使活塞缓慢地下移．在这个过程中，测力计的读数（ ）

A. 先变小，然后保持不变

B. 一直保持不变

C. 先变大，然后变小

D. 先变小，然后变大

4. 如图所示，物体放在水平面上，与水平面间的动摩擦因数为μ,现施一与水平面成α角且斜向下的力F推物体，问：α角至少为多大时，无论F为多大均不能推动物体（设最大静摩擦力等于滑动摩擦力）？

5. 如图所示，A、B两个带有同种电荷的小球，质量都是m，用两根长为L的细丝线将这

60，求A、B两球两球吊于O点，当把球A固定点O的正下方时，球B偏转的角度α=

带电总量的最小值？

【试题答案】

1. (1)G

(2)2G，方向斜向上

2. 解：（1）先分析C受的力。这时以C为研究对象，重力G1=mg，B对C的弹力竖直向上，大小N1= mg，因为C在水平方向没有加速度，所以B、C间无摩擦力，即f1=0。

再分析B受的力，在分析B与A间的弹力N2和摩擦力f2时，以BC整体为对象较好，A对该整体的弹力和摩擦力就是A对B的弹力N2和摩擦力f2，得到B受4个力作用：重力G2=Mg，C对B的压力竖直向下，大小N1= mg，A对B的弹力N2=(M+m)gcosθ，A对B 的摩擦力f2=(M+m)gsinθ

（2）因为B、C 共同加速下滑，加速度相同，所以先以B、C整体为对象求A对B的弹力N2、摩擦力f2，并求出a ；再以C为对象求B、C间的弹力、摩擦力。这里，f2是滑动摩擦力N2=(M+m)gcosθ，f2=μN2=μ(M+m)gcosθ沿斜面方向用牛顿第二定律：(M+m)gsinθ-μ(M+m)gcosθ=(M+m)a可得a=g(sinθ-μcosθ)。B、C间的弹力N1、摩擦力f1则应以C为对象求得。

因为C所受合力沿斜面向下，而所受的3个力的方向都在水平或竖直方向。这种情况下，比较简便的方法是以水平、竖直方向建立直角坐标系，分解加速度a。

分别沿水平、竖直方向用牛顿第二定律：

f1=macosθ，mg-N1= masinθ，

可得：f1=mg(sinθ-μcosθ) cosθN1= mg(cosθ+μsinθ)cosθ

3. A 解析：取活塞为研究对象，活塞受到重力G、大气对下底面的压力F1、水对活塞上表面的压力F2、绳的拉力T，如图所示，其中F1=P0S，F2=（P0＋hρg）S，h为水柱高度，由力的平衡条件得：T=G＋F2－F1=G＋hρgS。

当活塞缓慢下移时，h减小，T减小。当液面下移到粗圆筒上部时，活塞再下移，液柱的高度不变，T不变。

4. 解析：设物体的质量为m，静摩擦力为f，现取刚好达到最大静摩擦力时分析，如图由

平衡条件有Fcos α=μ（mg ＋Fsin α），F=αμαμsin cos -mg 该式中出现三个未知量，条件缺少，但注意到题中“无论F 多大………”，可设想：当

F →∞时，必有右边分式的分母→0，即cos α－μsin α=0，得α=arctan μ1，所以α≥arctan μ

1即为所求。

5. 解析：设A 、B 两球所带电荷量分别为q A 、q B ，由题意知，球B 偏离竖直方向?60后处于平衡状态，以B 为研究对象，球B 受三个力的作用：重力mg 、线的拉力T 、A 对B 的库仑力F ，受力分析如图，由平衡条件得：F=mg

由库仑定律得F=2L q kq B A ，联立得q A q B =k

mgL 2=常数，由上述推导可知，当q A=q B 时，q A ＋q B 有最小值，即（q A ＋q B ）min =2k

mgL 2