2020版高考物理教科版大一轮复习讲义课件：第二章 第2讲 力的合成与分解

大一轮复习讲义
第二章　相互作用
第2讲　力的合成与分解
NEIRONGSUOYIN
内容索引过好双基关
研透命题点
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一、力的合成
1.合力与分力
(1)定义：如果几个力共同作用产生的效果与一个力的作用效果相同，这一个
力就叫做那几个力的
，那几个力叫做这一个力的 .(2)关系：合力与分力是
关系.2.共点力
作用在物体的同一点，或作用线交于一点的几个力.如图1均为共点力.
合力分力等效替代
3.力的合成
(1)定义：求几个力的
的过程.(2)运算法则
①平行四边形定则：求两个互成角度的分力的合力，可以用表示这两个力的线
段为 作平行四边形，这两个邻边之间的 就表示合力的大小和方向.如图2甲所示，F 1、F 2为分力，F 为合力.
合力邻边对角线图2
②三角形定则：把两个矢量的首尾顺
次连接起来，第一个矢量的首到第二
个矢量的尾的
为合矢量.如图乙，F 1、F 2为分力，F 为合力.有向线段
自测1 (多选)关于几个力及其合力，下列说法正确的是
A.合力的作用效果跟原来几个力共同作用产生的效果相同
B.合力与原来那几个力同时作用在物体上
C.合力的作用可以替代原来那几个力的作用
D.求几个力的合力遵循平行四边形定则√√
√
自测2 (多选)(2018·山东省济南一中阶段检测)两个共点力F 1、F 2大小不同，
它们的合力大小为F ，则
A.F 1、F 2同时增大一倍，F 也增大一倍
B.F 1、F 2同时增加10 N ，F 也增加10 N
C.F 1增加10 N ，F 2减少10 N ，F 一定不变
D.若F 1、F 2中的一个增大，F 不一定增大解析　根据平行四边形定则，F 1、F 2同时增大一倍，F 也增大一倍，故A 正确；F 1、F 2方向相反，F 1、F 2同时增加10 N ，F 不变，故B 错误；
F 1、F 2方向相反，F 1增加10 N ，F 2减少10 N ，F 可能增加20 N ，故C 错误；F 1、F 2方向相反，若F 1、F 2中的一个增大，F 不一定增大，故D 正确.√√
1.定义：求一个力的
的过程.力的分解是
的逆运算.2.遵循的原则
(1)
定则.(2)三角形定则.3.分解方法(1)效果分解法.如图3所示，物体重力G 的两个作用效果，一是使物体沿斜面下滑，二是使物体压紧斜面，这两个分力与合力间遵循平行四边形定则，其大小分别为G 1＝G sin θ，G 2＝G cos θ.
(2)正交分解法.二、力的分解
平行四边形分力图3
力的合成
自测3　已知两个共点力的合力为50 N，分力F1的方向与合力F的方向成30°角，分力F2的大小为30 N.则
A.F1的大小是唯一的
B.F2的方向是唯一的
√
C.F2有两个可能的方向
D.F2可取任意方向
解析　由F
、F2和F的矢量三角形图可以看出：
1
因F2＝30 N＞F20＝F sin 30°＝25 N
且F2＜F，所以F1的大小有两个，
即F1′和F1″，F2的方向有两个，
即F2′的方向和F2″的方向，故选项A、B、D错误，C正确.
三、矢量和标量
1.矢量：既有大小又有 的物理量，叠加时遵循 定则，如速度、
力等.
2.标量：只有大小没有
的物理量，求和时按 法则相加，如路程、速率等.代数方向平行四边形方向
自测4　下列各组物理量中全部是矢量的是√
A.位移、速度、加速度、力
B.位移、时间、速度、路程
C.力、位移、速率、加速度
D.速度、加速度、力、路程
命题点一　共点力的合成
1.两个共点力的合成
|F1－F2|≤F合≤F1＋F2，即两个力大小不变时，其合力随夹角的增大而减小，当两力反向时，合力最小；当两力同向时，合力最大.
2.三个共点力的合成
(1)最大值：三个力共线且同向时，其合力最大，为F1＋F2＋F3.
(2)最小值：任取两个力，求出其合力的范围，如果第三个力在这个范围之内，则三个力的合力的最小值为零，如果第三个力不在这个范围内，则合力的最小值为最大的一个力减去另外两个较小的力的大小之和.
3.
几种特殊情况的共点力的合成
类型作图合力的计算互相垂直
F＝
tan θ＝
两力等大，夹角为θ
F＝2F1cos
F与F1夹角为
两力等大，夹角为
120°
合力与分力等大
F′与F夹角为60°
4.力合成的方法
(1)作图法
(2)计算法
图4
若两个力F1、F2的夹角为θ，如图4所示，合力的大小可由余弦定理得到：
例1　(2018·山东省临沂市一模)如图5所示，一物块在斜向下的拉力F的作用下沿光滑的水平地面向右运动，那么物体受到的地面的支持力N与拉力F的合力方向是
A.水平向右
B.向上偏右
C.向下偏左
D.竖直向下图5
√
解析　对物体受力分析可知，其受重力、支持力、拉力.若拉力F与水平方向夹角为θ，在竖直方向，N＝mg＋F sin θ，支持力N与F在竖直方向的分力之和F y
＝mg，方向向上，F在水平方向的分力F x＝F cos θ，故合力F合＝
方向向上偏右，故B正确
.
变式1　(多选)(2019·陕西省商洛市调研)已知力F，且它的一个分力F1跟F成30°角，大小未知，另一个分力F2的大小为F，方向未知，则F1的大小可能是√√
例2　(2018·河北省衡水中学第一次调研)如图6所示，小球A、B通过一条细绳跨过定滑轮连接，它们都穿在一根竖直杆上.当两球平衡时，连接两球的细绳与水平方向的夹角分别为θ和2θ.假设装置中的各处摩擦均不计，则A、B球的质量之比为
A.2cos θ∶1
B.1∶2cos θ
C.tan θ∶1
D.1∶2sin θ图6
√
解析　分别对A、B两球受力分析，运用合成法，如图：由几何知识得：T sin θ＝m A g，T sin 2θ＝m B g，
故m A∶m B＝sin θ∶sin 2θ＝1∶2cos θ，故选B.
变式2　(多选)一物体静止于水平桌面上，两者之间的最大静摩擦力为5 N ，现将水平面内三个力同时作用于物体的同一点，三个力的大小分别为2 N 、2 N 、3 N.下
列关于物体的受力情况和运动情况判断正确的是
A.物体所受静摩擦力大小可能为2 N
B.物体所受静摩擦力大小可能为4 N
C.物体可能仍保持静止
D.物体一定被拉动√
解析　两个2 N 力的合力范围为0～4 N ，然后与3 N 的力合成，则三个力的合力范围为0～7 N ，由于最大静摩擦力为5 N ，因此可判定A 、B 、C 正确，D 错误.
√√
命题点二　力分解的两种常用方法
1.效果分解法
按力的作用效果分解(思路图)
2.正交分解法
(1)定义：将已知力按互相垂直的两个方向进行分解的方法.
(2)建立坐标轴的原则：一般选共点力的作用点为原点，在静力学中，以少分解力和容易分解力为原则(使尽量多的力分布在坐标轴上)；在动力学中，往往以加速度方向和垂直加速度方向为坐标轴建立坐标系.
(3)方法：物体受到多个力F1、F2、F3、…作用，求合力F时，可把各力向相互垂直的x轴、y轴分解.
x轴上的合力F x＝F x1＋F x2＋F x3＋…
y轴上的合力F y＝F y1＋F y2＋F y3＋…
例3　如图7所示，墙上有两个钉子a 和b ，它们的连线与水平方向的夹角为45°，两者的高度差为l .一条不可伸长的轻质细绳一端固定于a 点，另一端跨过光滑钉子b 悬挂一质量为m 1的重物.在绳上距a 端 的c 点有一固定绳圈.若绳圈上悬挂质量为m 2的钩码，平衡后绳的ac 段正好水平，则重物和钩码的质量比 为
图
7
√
解析　解法一(力的效果分解法)：
钩码的拉力F等于钩码重力m2g，将F沿ac和bc方向分解，两个分力分别为F a、F b，如图甲所示，其中F b＝m1g，
解法二(正交分解法)：
绳圈受到F a、F b、F三个力作用，如图乙所示，将F b沿水平方向和竖直方向正交分解，由竖直方向受力平衡得m
g cos θ＝m2g；
变式3　(2018·山东省烟台市模拟)减速带是交叉路口常见的一种交通设施，车辆驶过减速带时要减速，以保障行人的安全.当汽车前轮刚爬上减速带时，减速带对车轮的弹力为F，下图中弹力F画法正确且分解合理的是
√
解析　减速带对车轮的弹力方向垂直车轮和减速带的接触面，指向受力物体，故A、C错误；
按照力的作用效果分解，将F分解为水平方向和竖直方向，水平方向的分力产生的效果减慢汽车的速度，竖直方向的分力产生向上运动的作用效果，故B正确，D错误.
变式4　(多选)(2016·全国卷Ⅰ·19)如图8，一光滑的轻滑轮用细绳OO ′悬挂于O 点；另一细绳跨过滑轮，其一端悬挂物块a ，另一端系一位于水平粗糙桌面上的物块b .外力F 向右上方拉b ，整个系统处于静止状态.若F 方向不变，大小在一定范围内变化，物块b 仍始终保持静止，则
A.绳OO ′的张力也在一定范围内变化
B.物块b 所受到的支持力也在一定范围内变化
C.连接a 和b 的绳的张力也在一定范围内变化
D.物块b 与桌面间的摩擦力也在一定范围内变化图8√
√
解析　由于物块a、b均保持静止，各绳角度保持不变，对a受力分析得，绳的拉力F T′＝m a g，所以物块a受到的绳的拉力保持不变.由滑轮性质，滑轮两侧绳的拉力相等，所以b受到绳的拉力大小、方向均保持不变，C选项错误；a、b受到绳的拉力大小、方向均不变，所以OO′的张力不变，A选项错误；对b进行受力分析，如图所示.由平衡条件得：F T cos β＋F f＝F cos α，F sin α＋F N ＋F T sin β＝m b g.其中F T和m b g始终不变，当F大小在一定范围内变化时，支持力
在一定范围内变化，B选项正确；
摩擦力也在一定范围内发生变化，D选项正确.
应用1　斧头劈木柴类问题
命题点三　力合成与分解的两个重要应用
例4　(多选)(2018·天津理综·7)明朝谢肇淛的《五杂组》中记载：“明姑苏虎丘寺塔倾侧，议欲正之，非万缗不可.一游僧见之曰：无烦也，我能正之.”游僧每天将木楔从塔身倾斜一侧的砖缝间敲进去，经月余扶正了塔身.假设所用的木楔为等腰三角形，木楔的顶角为θ，现在木楔背上加一力F ，方向如图9所示，木楔两侧产生推力F N ，则
A.若F 一定，θ大时F N 大
B.若F 一定，θ小时F N 大
C.若θ一定，F 大时F N 大
D.若θ一定，F 小时F N
大
图9
√√
变式5　刀、斧、凿等切削工具的刃部叫做劈，如图10是斧头劈木柴的示意图.劈的纵截面是一个等腰三角形，使用劈的时候，垂直劈背加一个力F ，这个力产生两个作用效果，使劈的两个侧面推压木柴，把木柴劈开.设劈背的宽度为d ，劈的侧面长为l ，不计斧头的自身重力，则劈的侧面推压木柴的力约为
图
10√
解析　斧头劈木柴时，设两侧面推压木柴的力分别为F1、F2且F1＝F2，
应用2　拖把拖地问题
的质量为m，拖杆质量可忽略.拖把头与地板之间的动摩擦因数
为常数μ，重力加速度为g.某同学用该拖把在水平地板上拖地时，
沿拖杆方向推拖把，拖杆与竖直方向的夹角为θ.
(1)若拖把头在地板上匀速移动，求推拖把的力的大小.
图11
解析　设该同学沿拖杆方向用大小为F的力推拖把.将推拖把的力沿竖直和水平方向分解，根据平衡条件有
F cos θ＋mg＝N①
F sin θ＝f②
式中N和f分别为地板对拖把的正压力和摩擦力．
所以f＝μN③
(2)设能使该拖把在地板上从静止刚好开始运动的水平推力与此时地板对拖把的正压力的比值为λ.已知存在一临界角θ0，若θ≤θ0，则不管沿拖杆方向的推力有多大，都不可能使拖把从静止开始运动.求这一临界角的正切tan θ0.
答案　λ
解析　若不管沿拖杆方向用多大的力都不能使拖把从静止开始运动，
应有F sin θ≤λN⑤这时，①式仍成立.联立①⑤式得
sin θ－λcos θ≤0⑦使⑦式成立的θ角满足θ≤θ0，这里θ0是题中所定义的临界角，即当θ≤θ0时，不管沿拖杆方向用多大的力都推不动拖把.故临界角的正切为tan θ0＝λ.
变式6　(2019·福建省莆田市质检)如图12所示，质量为m 的物块静止于斜面上，物块与斜面间的动摩擦因数为μ，逐渐增大斜面的倾角θ，直到θ等于某特定值φ时，物块达到“欲动未动”的临界状态，此时的摩擦力为最大静摩擦力，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，求θ角满足什么条件时物块总与斜面保持相对静止
.图12
答案　tan θ≤μ
解析　θ等于某特定值φ时，物块受力平
衡，则有N －G cos φ＝0，f m －G sin φ＝0.
又f m ＝μN ，解得μ＝tan φ.显然，当θ≤φ
即tan θ≤μ
时，物块始终保持静止．
1.三个共点力大小分别是F 1、F 2、F 3，关于它们合力F 的大小，下列说法中正确的是
A.F 大小的取值范围一定是0≤F ≤F 1＋F 2＋F 3
B.F 至少比F 1、F 2、F 3中的某一个大
C.若F 1∶F 2∶F 3＝3∶6∶8，只要适当调整它们之间的夹角，一定能使合力为零
D.若F 1∶F 2∶F 3＝3∶6∶2，只要适当调整它们之间的夹角，一定能使合力为零
双基巩固练
√
2.(多选)一件行李重为G ，被绳OA 和OB 吊在空中，OA 绳和OB 绳的拉力分别为F 1、F 2，如图1所示，则
A.F 1、F 2的合力是G
B.F 1、F 2的合力是F
C.行李对绳OA 的拉力方向与F 1
方向相反、大小相等D.行李受到重力G 、OA 绳的拉力F 1、OB 绳的拉力F 2，
还有F 共四个力作用√
√图1
3.(2018·河南省新乡市质检)如图2所示，一根不可伸长的轻绳穿过轻滑轮，两端系在高度相等的A 、B 两点，滑轮下挂一物体，不计绳和滑轮之间的摩擦.现让B 缓慢向右移动，则下列说法正确的是
A.随着B 向右缓慢移动，绳子的张力减小
B.随着B 向右缓慢移动，绳子的张力不变
C.随着B 向右缓慢移动，滑轮受绳AB 的合力变小
D.随着B 向右缓慢移动，滑轮受绳AB 的合力不变图2
√
4.如图3所示，质量为m 的重物悬挂在轻质的支架上，斜梁OB 与竖直方向的夹角为θ.设水平横梁OA 和斜梁OB 作用于O 点的弹力分别为F 1和F 2，以下结果正确的是图
3
√
5.如图4所示是轿车常用的千斤顶，当摇动把手时，螺纹轴就能迫使千斤顶的两臂靠拢，从而将汽车顶起.当车轮刚被顶起时，汽车对千斤顶的压力为1.0×105 N，此时千斤顶两臂间的夹角为120°.下列判断正确的是
A.此时千斤顶每臂受到的压力大小均为5.0×104 N
B.此时千斤顶对汽车的支持力为1.0×104 N
C.若继续摇动把手，将汽车顶起，千斤顶每臂受
到的压力将增大
D.若继续摇动把手，将汽车顶起，千斤顶每臂受到的压力将减小图4
√
解析　汽车对千斤顶的压力大小为1.0×105 N，根据牛顿第三定律，千斤顶对汽车的支持力也为1.0×105 N，B项错误；
两臂夹角为120°，由力的合成可知千斤顶每臂受到的压力为1.0×105 N，A项错误；继续摇动把手，将汽车顶起，千斤顶两臂夹角减小，每臂受到的压力减小，C 项错误，D项正确.
6.(2018·天津市南开中学月考)一个质点在三个共点力F 1、F 2、F 3的作用下处于平衡状态，如图5所示，则它们的大小关系是
A.F 1＞F 2＞F 3
B.F 1＞F 3＞F 2
C.F 3＞F 1＞F 2
D.F 2＞F 1＞F 3
图5
√解析　因为质点在三个共点力F 1、F 2、F 3的
作用下处于平衡状态，所以将三力首尾相连
组成一封闭三角形，如图所示，根据数学知
识三角形中大边对大角，即得出F 3＞F 1＞F 2，
所以选项A 、B 、D 错误，C 正确
.
7.(2019·四川省德阳市测试)一物体受到三个共面共点力F 1、F 2、F 3的作用，三力的矢量关系如图6所示(各小方格边长相等)，则下列说法正确的是
A.三力的合力有最大值F 1＋F 2＋F 3，方向不确定
B.三力的合力有唯一值3F 3，方向与F 3同向
C.三力的合力有唯一值2F 3，方向与F 3同向
D.由题给条件无法求出合力大小√图6解析　根据三力的图示，可知F 1、F 2在竖直方向的分力大小均为3个单位，方向相反，竖直方向合力为0，在水平方向的分力大小分别为6个单位和2个单位，方向与F 3方向相同.根据正交分解法可得，三力的合力大小为12个单位，与F 3的方向相同，即F 合＝3F 3，选项B 正确.
8.(2018·福建省龙岩市一模)如图7所示，一件质量为M 的衣服挂在等腰三角形的衣架上，衣架通过轻绳OA 悬挂在天花板下.衣架质量为m ，衣架顶角θ＝120°，此时衣架底边水平.不计衣服与衣架摩擦，重力加速度为g ，则竖直轻绳OA 受到的拉力T 和衣架左侧对衣服的作用力F 大小分别为
图
7
√
解析　以衣服和衣架为整体受力分析可知，整体受总重力和轻绳OA的拉力作用，根据平衡条件得： T ′＝(M＋m)g，
根据牛顿第三定律可知，OA受到的拉力T ＝ T ′＝(M＋m)g；
以衣服为研究对象，其受力分析图如图所示：
根据几何关系得F与竖直方向的夹角为30°，
由平衡条件得：2F cos 30°＝Mg，解得：F＝Mg.故A正确.
9.如图8所示，两个质量均为m 1的小球套在竖直放置的光滑支架上，支架的夹角为120°，用轻绳将两球与质量为m 2的小球连接，绳与杆构成一个菱形，则
m 1∶m 2为A.1∶1 B.1∶2 C.1∶ D. ∶2
√
图8
综合提升练
解析　根据平行四边形定则将下面小球的重力按效果进行分解，如图所示，由几何知识得T＝m2g，对支架上的小球受力分析，
由平衡条件，在沿杆的方向有m1g sin 30°＝T sin 30°，
可得T＝m1g，
故m1∶m2＝1∶1，选项A正确．
10.(2019·华中师范大学附中月考)如图9所示，质量为m B ＝24 kg 的木板B 放在水平地面上，质量为m A ＝22 kg 的木箱A 放在木板B 上.一根轻绳一端拴在木箱上，另一端拴在天花板上，轻绳与水平方向的夹角为θ＝37°.已知木箱A 与木板B 之间的动摩擦因数μ1＝0.5.现用水平向右、大小为200 N 的力F 将木板B 从木箱A 下面匀速抽出(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，重力加速度g 取10 m/s 2)，则木板B 与地面
之间的动摩擦因数μ2的大小为A.0.3 B.0.4 C.0.5 D.0.6
√
图
9。