法1:“假设法”。即假设接触面光滑,看原来相对静止的物体间能发生怎样的相对运动。若能发生,则这个相对运动的方向就为原来静止时两物体间的相对运动趋势的方向。若不能发生,则物体间无相对运动趋势。
例6:如图1—9所示为皮带传送装置,甲为主动轮,传动过程中皮带不打滑,P、Q分别为两轮边缘上的两点,下列说法正确的是:
A.P、Q两点的摩擦力方向均与轮转动方向相反
B.P点的摩擦力方向与甲轮的转动方向相反,Q点的摩擦力方向与乙轮的转动方向相同 C.P点的摩擦力方向与甲轮的转动方向相同,Q点的摩擦力方向与乙轮的转动方向相反 D.P、Q两点的摩擦力方向均与轮转动方向相同
图1—9
【审题】本题可用“假设法”分析。由题意可知甲轮与皮带间、乙轮与皮带间均相对静止,皮带与轮间的摩擦力为静摩擦力。假设甲轮是光滑的,则甲轮转动时皮带不动,轮上P点相对于皮带向前运动,可知轮上P点相对于皮带有向前运动的趋势,则轮子上的P点受到的静摩擦力方向向后,即与甲轮的转动方向相反,再假设乙轮是光滑的,则当皮带转动时,乙轮将会静止不动,这时,乙轮边缘上的Q点相对于皮带向后运动,可知轮上Q点有相对于皮带向后运动的趋势,故乙轮上Q点所受摩擦力向前,即与乙轮转动方向相同。 【解析】正确答案为B
【总结】判断摩擦力的有、无及摩擦力的方向可采用“假设法”分析。摩擦力方向与物体间的相对运动方向或相对运动趋势的方向相反,但不一定与物体的运动方向相反,有时还与物体的运动方向相同。
例7:如图1—10所示,物体A叠放在物体B上,水平地面光滑,外力F作用于物体B上
使它们一起运动,试分析两物体受到的静摩擦力的方向。
图1—10
【审题】本题中假设A、B间接触面是光滑的,当F使物体B向右加速时,物体A由于惯性将保持原来的静止状态,经很短时间后它们的相对位置将发生变化,即物体A相对B有向左的运动,也就是说在原来相对静止时,物体A相对于B有向左的运动趋势,所以A受到B对它的静摩擦力方向向右(与A的实际运动方向相同)。同理B相对A有向右运动的趋势,所以B受到A对它的静摩擦力方向向左(与B的实际运动方向相反)。
【解析】物体A相对于B有向左的运动趋势,所以A受到B对它的静摩擦力方向向右(与A的实际运动方向相同)。物体B相对A有向右运动的趋势,所以B受到A对它的静摩擦力方向向左(与B的实际
图1—11 运动方向相反)。如图1—11所示
法2:根据“物体的运动状态”来判定。
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即先判明物体的运动状态(即加速度的方向),再利用牛顿第二定律(F=ma)确定合力,然后通过受力分析确定静摩擦力的大小和方向。
例8:如图1—12所示,A、B两物体竖直叠放在水平面上,今用水平力F拉物体,两物体一起匀速运动,试分析A、B间的摩擦力及B与水平面间的摩擦力。
图1—12
【审题】本题分析摩擦力时应根据物体所处的运动状态。以A物体为研究对象:A物体在竖直方向上受重力和支持力,二者平衡,假设在水平方向上A受到B对它的静摩擦力,该力的方向一定沿水平方向,这样无论静摩擦力方向向左或向右,都不可能使A物体处于平衡状态,这与题中所给A物体处于匀速运动状态相矛盾,故A物体不受B对它的静摩擦力。反过来,B物体也不受A物体对它的静摩擦力。
分析B物体与水平面间的摩擦力可以A、B整体为研究对象。因A、B一起匀速运动,水平方向上合外力为零。水平方向上整体受到向右的拉力F作用,所以水平面对整体一定有向左的滑动摩擦力,而水平面对整体的滑动摩擦力也就是水平面对B物体的滑动摩擦力。 【解析】分析见上,因A匀速运动,所以A、B间无静摩擦力,又因A、B整体匀速运动,由平衡条件得,物体B受到水平面对它的滑动摩擦力应向左。 法3:利用牛顿第三定律来判定
此法关键是抓住“力是成对出现的”,先确定受力较少的物体受到的静摩擦力的方向,再确定另一物体受到的静摩擦力的方向。
例6中地面光滑,F使物体A、B一起向右加速运动,A物体的加速度和整体相同,由牛顿第二定律F=ma得A物体所受合外力方向一定向右,而A物体在竖直方向上受力平衡,所以水平方向上受的力为它的合外力,而在水平方向上只有可能受到B对它的静摩擦力,所以A受到B对它的静摩擦力方向向右。B对A的摩擦力与A对B的摩擦力是一对作用力和反作用力,根据牛顿第三定律,B受到A对它的静摩擦力方向向左。
【总结】静摩擦力的方向与物体间相对运动趋势方向相反,判断时除了用“假设法”外,还可以根据“物体的运动状态”、及 牛顿第三定律来分析。滑动摩擦力的方向与物体间相对运动的方向相反。 5.物体的受力分析
例9:如图1—13甲所示,竖直墙壁光滑,分析静止的木杆受哪几个力作用。
【审题】首先选取研究对象——木杆,其次按顺序画力:①重力G—作用在木杆的中点,方向竖直向下;②画弹力。有两个接触点,墙与杆接触点属点面接触,弹力垂直于墙且指向杆,地与杆的接触点也属点面接触,杆受的弹力垂直于地面且指向杆;③画摩擦力。竖直墙光滑,墙与杆接触点没有摩擦力;假设地面光滑,杆将会向右运动,所以杆静止时有相对地面向右的运动趋势,所以地面对杆有向左的摩擦力。
【解析】杆受重力G、方向竖直向下;弹力N1,垂直于墙且指向杆,弹力N2,垂直于地面且指向杆;地面对杆向左的摩擦力f。如图1—13乙所示
乙 图1—13 【总结】受力分析时应按步骤分析,杆受的各力应画在实际位置上。不要将各力的作用点都
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移到重心上去。
例10:如图1—14甲所示,A、B、C叠放于水平地面上,加一水平力F,三物体仍静止,分析A、B、C的受力情况。 【审题】用隔离法分析:先取A为研究对象:A受向下的重力GA、B对A的支持力NBA。假设B对A有水平方向的摩擦力,不论方向水平向左还是向右,都与A处的静止状态相矛盾,所以B对A没有摩擦力。取B为研究对象:B受向下的重力GB、A对B的压力NAB、C对B的支持力
NCB、水平力F。因B处静止,水平方向受合力为零,根据平衡条件,C对B一定有水平向左的摩擦力fCB。再取C为研究对象:C受向下的重力GC、B对C的压力NBC,地面对C的支持力N,由牛顿第三定律得,B对C的摩擦力向右,因C处静止合力为零,根据平衡条件,地对C的摩擦力f一定水平向左。
【解析】A、B、C三物体的受力如图图1—14乙所示
甲 乙
图1—14
【总结】用隔离法分析物体受力分析最常用的方法,分析时应将研究的物体单独拿出来,不要都画在一起,以免出现混乱。同时应根据牛顿第三定律分析。A对B的压力及B对C的压力应以NAB和NBC表示,不要用GA和GB表示,因中它们跟GA、、GB是不同的。此题也可以用先整体后部分,由下向上的方法分析。
例11:如图1—15甲所示,物体A、B静止,画出A、B的受力图。
【审题】用隔离法分析。先隔离B:B受重力GB,外力F,由于F的作用,B和A之间的挤压,所以A对B有支持力NAB,假设A、B接触面光滑,物体B将相对A下滑,所以B有相对A向下的运动趋势,B受A向上的静摩擦力fAB。再隔离A:A受重力GA,墙对A的支持力N墙,由牛顿第三定律得,A受到B对它的压力NBA,水平向左,摩擦力fBA,方向竖直向下。假设墙是光滑的,A物体相对墙将下滑,也就是说A物体相对墙有向下的运动趋势,所以墙对A有竖直向上的摩擦力f墙。 【解析】A、B受力如图1—15乙所示
图1—15甲 图1—15乙
总结:此类问题用隔离法分析,应注意A、B间、A与墙间的摩擦力的分析,同时要根据牛顿第三定律分析。
例12:如图1—16所示,用两相同的夹板夹住三个重为G的物体A、B、C,
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图1—16 三个物体均保持静止,请分析各个物体的受力情况.
【审题】要分析各物体的受力情况,关键是分析A、B间、B、C间是否有摩擦力,所以可用先整体后隔离的方法。首先以三物体为一整体。竖直方向上,受重力3G,竖直向下,两板对它向上的摩擦力,分别为f;水平方向上,受两侧板对它的压力N1、N2。根据平衡条件得,每一侧受的摩擦力大小等于1.5G。然后再用隔离法分析A、B、C的受力情况,先隔离A,A物体受重力G,方向竖直向下,板对它的向上的摩擦力f,大小等于1.5G ,A物体要平衡,就必须受到一个B对它的向下的摩擦力fBA,根据平衡条件得,大小应等于0.5 G , 水平方向上,A物体受板对它的压力N1和B对它的压力NBA; 再隔离C,C物体的受力情况与A物体类似. 竖直方向上受重力G、板对它的向上的摩擦力f、B对它的向下的摩擦力fBC,水平方向上受板对它的压力N2、B对它的压力NBC。再隔离B,竖直方向上B物体受重力G 、由牛顿第三定律得,B受到A对它的向上的摩擦力fAB 、C对它的向上的摩擦力fCB ,以及水平方向上A对它的压力NAB和C对它的压力NCB。 【解析】A、B、C受力如图图1—17所示
图1—17 【总结】明确各物体所受的摩擦力是解决此类问题的关键,较好的解决方法是先整体法确定两侧的摩擦力,再用隔离法确定单个物体所受的摩擦力。
例13:如图1—18所示,放置在水平地面上的直角劈M上有一个质量为m的物体,若m在其上匀速下滑,M仍保持静止,那么正确的说法是( ) A.M对地面的压力等于(M+m)g B.M对地面的压力大于(M+m)g C.地面对M没有摩擦力
D.地面对M有向左的摩擦力
1—18 【审题】先用隔离法分析。先隔离m,m受重力mg、斜面对它的支持力N图、沿斜面向上的摩擦力f,因m沿斜面匀速下滑,所以支持力N和沿斜面向上的摩擦力f可根据平衡条件求出。。再隔离M,M受竖直向下重力Mg、地面对它竖直向上的支持力N地、由牛顿第三定律得,m对M有垂直斜面向下的压力N'和沿斜面向下的摩擦力f',M相对地面有没有运动趋势,关键看f'和N'在水平方向的分量是否相等,若二者相等,则M相对地面无运动趋势,若二者不相等,则M相对地面有运动趋势,而摩擦力方向应根据具体的相对运动趋势的方向确定。
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【解析】m、M的受力如图1—19所示
甲 图1—19 乙
对m:建系如图甲所示,因m沿斜面匀速下滑,由平衡条件得:支持力N=mgcosθ,摩擦力f=mgsinθ
对M:建系如图乙所示,由牛顿第三定律得,N= N',f= f',在水平方向上,压力N'的水平分量N'sinθ= mgcosθsinθ,摩擦力f'的水平分量f'cosθ= mgsinθcosθ,可见f'cosθ=N'sinθ,所以M相对地面没有运动趋势,所以地面对M没有摩擦力。
在竖直方向上,整体平衡,由平衡条件得:N地= f'sinθ+ N'cosθ+Mg=mg+Mg。所以正确答案为:A、C
再以整体法分析:M对地面的压力和地面对M的支持力是一对作用力和反作用力,大小相等,方向相反。而地面对M的支持力、地面对M摩擦力是M和m整体的外力,所以要讨论这两个问题,可以整体为研究对象。整体在竖直方向上受到重力和支持力,因m在斜面上匀速下滑、M静止不动,即整体处于平衡状态,所以竖直方向上地面对M的支持力等于重力,水平方向上若受地面对M的摩擦力,无论摩擦力的方向向左还是向右,水平方向上整体都不能处于平衡,所以整体在水平方向上不受摩擦力。
【解析】整体受力如图1—20所示,正确答案为:A、C。
图1—20
【总结】综上可见,在分析整体受的外力时,以整体为研究对象分析比较简单。也可以隔离法分析,但较麻烦,在实际解题时,可灵活应用整体法和隔离法,将二者有机地结合起来。 总之,在进行受力分析时一定要按次序画出物体实际受的各个力,为解决这一难点可记忆以下受力口诀:, 地球周围受重力 绕物一周找弹力 考虑有无摩擦力 其他外力细分析 合力分力不重复 只画受力抛施力
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