人教版高中物理必修一3.5《力的分解》学案

3.5力的分解[目标定位] 1.进一步掌握力的平行四边形定则.2.知道力的分解也遵守平行四边形定则.3.理解力的分解原则，会正确分解一个力．一、力的分解1．力的分解：已知一个力求它的分力的过程叫做力的分解．2．力的分解原则：力的分解是力的合成的逆运算，同样遵守平行四边形定则．即把一个已知力F作为平行四边形的对角线，画平行四边形．那么，与已知力F共点的平行四边形的两个邻边就表示力F的两个分力．3．力的分解依据：如果没有限制，同一个力可以分解为无数对大小和方向不同的分力．想一想：将一个已知力进行分解，得到的两个分力一定比该已知力小吗？答案不一定；合力与分力的关系是：合力可能大于分力，也可能小于分力，还有可能等于分力．二、矢量相加的法则1．矢量：既有大小，又有方向，合成时遵守平行四边形定则(或三角形法则)的物理量．标量：只有大小，没有方向，求和时按照数值相加的物理量．2．三角形定则：把两个矢量首尾相接，从而求出合矢量的方法叫三角形定则．三角形法则与平行四边形定则在本质上是相同的．图381想一想：矢量与标量的本质区别是什么？答案矢量与标量的本质区别是运算法则的不同．一、力的分解1．力的分解的运算法则：平行四边形定则．2．如果没有限制，一个力可分解为无数对大小、方向不同的分力．3．力的效果分解法(1)根据力的实际作用效果确定两个分力的方向．(2)根据两个分力的方向作出力的平行四边形或三角形．(3)利用数学知识解三角形，分析、计算分力的大小．4．两种典型情况的力的分解(1)拉力F 可分解为：水平向前的力F 1和竖直向上的力F 2如图382甲．(2)重力产生两个效果：一是使物体具有沿斜面下滑趋势的分析力F 1，二是使物体压紧斜面的分力F 2.如图乙．图382F 1＝F cos α，F 2＝F sin α，F 1＝mg sin α，F 2＝mg cos α.例1 如图383所示，轻杆与柱子之间用铰链连接，杆的末端吊着一个重为30 N 的物体，轻绳与水平轻杆之间的夹角为θ＝30°，求轻绳和杆各受多大的力？图383解析 悬挂重物的绳子对O 点的拉力F ＝G ，产生两个作用效果：一个是沿绳方向拉轻绳，一个是沿杆方向压杆(因轻杆处于静止时杆所受的弹力一定沿着杆，否则会引起杆的转动)作平行四边形如图所示，由几何关系解得F 1＝G sin θ＝60 N F 2＝G tan θ≈52 N答案 60 N 52 N二、有限制条件的力的分解力分解时有解或无解，关键看代表合力的对角线与给定的代表分力的有向线段是否能构成平行四边形(或三角形)，若能，即有解；若不能则无解．具体情况有以下几种：1．已知合力和两个分力的方向时(如图384甲)，两分力有唯一解(如图384乙所示)．图3842．已知合力和一个分力的大小和方向时(如图385甲，若已知F 和F 1)，另一分力有唯一解(如图乙)．图3853．已知合力以及一个分力的大小和另一个分力的方向时，如图386，有下面几种可能：图386(1)当F sin θ＜F 2＜F 时，有两解(如图甲)． (2)当F 2＝F sin θ时，有唯一解(如图乙)． (3)当F 2＜F sin θ时，无解(如图丙)． (4)当F 2＞F 时，有唯一解(如图丁)．图387例2 按下列两种情况把一个竖直向下的180 N 的力分解为两个分力． (1)一个分力在水平方向上，并等于240 N ，求另一个分力的大小和方向； (2)一个分力在水平方向上，另一个分力与竖直方向的夹角为30°斜向下(如图387所示)，求两个分力的大小．解析 (1)力的分解如图所示． F 2＝F 2＋F 21＝300 N设F 2与F 的夹角为θ，则：tan θ＝F 1F ＝43，解得θ＝53°(2)力的分解如图所示．F 1＝F tan 30°＝180×33 N ＝60 3 NF 2＝F cos 30°＝18032N ＝120 3 N .答案 (1)300 N与竖直方向夹角为53° (2)水平方向分力的大小为60 N ，斜向下的分力大小为120 3 N图388例3如图388所示，一个大人与一个小孩在河的两岸，沿河岸拉一条船前进，大人的拉力为F 1＝400 N ，方向与河中心线的夹角为30°，要使船向正东方向行驶，求小孩对船施加的最小力的大小和方向．解析 如图所示，使合力F 沿正东方向，则小孩施加的最小拉力方向为垂直于河岸且向北拉船，力的最小值为F 2＝F 1sin 30°＝100×12 N ＝50 N .答案 50 N ，方向垂直河岸向北 三、力的正交分解1．建立坐标系：以共点力的作用点为坐标原点建立直角坐标系，直角坐标系x 轴和y 轴的选择应使尽量多的力在坐标轴上．图3892．正交分解各力，即将每一个不在坐标轴上的力分解到x 轴和y 轴上，并求出各分力的大小，如图389所示．3．分别求出x 轴、y 轴上各分力的矢量和，即： F x ＝F 1x ＋F 2x ＋F 3x ＋… F y ＝F 1y ＋F 2y ＋F 3y ＋…4．求共点力的合力：合力大小F ＝F 2x ＋F 2y ，合力的方向与x 轴的夹角为α，则tan α＝F yF x.图3810例4 在同一平面内共点的四个力F 1、F 2、F 3、F 4的大小依次为19 N 、40 N 、30 N 和15 N ，方向如图3810所示，求它们的合力．(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8)解析 本题若直接运用平行四边形定则求解，需解多个斜三角形，需多次确定各个力的合力的大小和方向，计算过程十分复杂．为此，可采用力的正交分解法求解此题．如图甲，建立直角坐标系，把各个力分解到这两个坐标轴上，并求出x 轴和y 轴上的合力F x 和F y ，有 F x ＝F 1＋F 2cos 37°－F 3cos 37°＝27 N ， F y ＝F 2sin 37°＋F 3sin 37°－F 4＝27 N . 因此，如图乙所示，合力：F ＝F 2x ＋F 2y≈38.2 N ，tan φ＝F y F x ＝1.即合力的大小约为38.2 N ，方向与F 1夹角为45°斜向右上． 答案 38.2 N ，方向与F 1夹角为45°斜向右上按力的效果分解图38111．在图3811中，AB 、AC 两光滑斜面互相垂直，AC 与水平面成30°.如把球O 的重力按照其作用效果分解，则两个分力的大小分别为( )A .12G ，32GB .33G ，3GC .23G ，22GD .22G ，32G解析 对球所受重力进行分解如图所示，由几何关系得F 1＝G sin 60°＝32G ，F 2＝G sin 30°＝12G ，A 正确．答案 A图38122．如图3812所示，已知电灯的重力为G ＝10 N ，AO 绳与顶板间的夹角为θ＝45°，BO 绳水平．(1)请按力的实际作用效果将OC 绳对O 点的拉力加以分解，并作出图示． (2)AO 绳所受的拉力F 1和BO 绳所受的拉力F 2分别为多少？解析 OC 绳的拉力产生了两个效果，一是沿着AO 的方向向下拉紧AO 的分力F T 1，另一个是沿着BO 绳的方向向左拉紧BO 绳的分力F T 2.画出平行四边形，如下图所示．因为电灯处于静止状态，根据二力平衡的条件，可判断OC 绳的拉力大小等于电灯的重力，因此由几何关系得F T 1＝Gsin θ＝10 2 N ，F T 2＝G tan θ＝10 N ；其方向分别为沿AO 方向和沿BO 方向(如上图所示)． 答案 (1)见解析图 (2)10 2 N 10 N3．将一个有确定方向的力F ＝10 N 分解成两个分力，已知一个分力有确定的方向，与F 成30°夹角，另一个分力的大小为6 N ，则在分解时( )A ．有无数组解B ．有两组解C．有唯一解D．无解解析设方向已知的分力为F1，如图所示，则F2的最小值F2小＝F sin30°＝5 N．而5 N<F2<10 N，F1、F2和F可构成如图所示的两个矢量三角形，故此时有两组解，B正确．答案B力的正交分解图38134．如图3813所示，水平地面上有一重60 N的物体，在与水平方向成30°角斜向上、大小为20 N的拉力F作用下匀速运动，求地面对物体的支持力和摩擦力大小．解析对物体进行受力分析，如图所示，物体受重力G、支持力F N、拉力F、摩擦力F′.建立直角坐标系，对力进行正交分解得：y方向：支持力F N＝G－F y＝G－F sin 30°＝60 N－20×12N＝50 N；x方向：摩擦力F′＝F x＝F cos 30°＝20×32N＝10 3 N.答案50 N10 3 N(时间：60分钟)题组一力的分解1．若将一个力F分解为两个力F1、F2，则下列说法正确的是() A．F是物体实际受到的力B．F1、F2不是物体实际受到的力C．物体同时受到F、F1、F2三个力的作用D．F1、F2共同作用的效果与F相同答案 ABD2．把一个力分解为两个力时，下列说法中正确的是( ) A ．一个分力变大时，另一个分力一定要变小 B ．两个分力可同时变大、同时变小C ．不论如何分解，两个分力不能同时小于这个力的一半D ．不论如何分解，两个分力不能同时大于这个力的两倍解析 设把一个力F 分解为F 1、F 2两个分力，当F 1、F 2在一条直线上且方向相反时，则有F ＝F 1－F 2，当F 1变大时，F 2也变大，A 错、B 对．F 1、F 2可以同时大于F 的2倍，D 错．当将F 沿一条直线分解为两个方向相同的力F 1、F 2时，则有F ＝F 1＋F 2，可知F 1、F 2不可能同时小于12F ，C 对．答案 BC3．一个力的大小为30 N ，将此力分解为两个分力，这两个分力的大小不可能是( )A ．10 N 、10 NB ．20 N 、40 NC ．200 N 、200 ND ．700 N 、720 N解析 合力的大小小于两分力大小之和，大于两分力大小之差，只有A 不可能．答案 A图38144．如图3814所示，质量为m 的等边三棱柱静止在水平放置的斜面上．已知三棱柱与斜面之间的动摩擦因数为μ，斜面的倾角为30°，则斜面对三棱柱的支持力与摩擦力的大小分别为( )A .32mg 和12mgB .12mg 和32mgC . 12mg 和12μmgD .32mg 和32mg解析 根据重力mg 的作用效果，可分解为沿斜面向下的分力F 1和使三棱柱压紧斜面的力F 2，根据几何关系得F 1＝mg sin 30°＝12mg ，F 2＝mg cos 30°＝32mg ，因为，F 1与三棱柱所受静摩擦力大小相等，F 2与斜面对三棱柱的支持力相等，因此，可知A 正确．答案 A图38155．小明想推动家里的衣橱，但使出了吃奶的力气也推不动，他便想了个妙招，如图3815所示，用A 、B 两块木板，搭成一个底角较小的“人”字形架，然后往中央一站，衣橱被推动了．下列说法中正确的是( )A ．这是不可能的，因为小明根本没有用力去推衣橱B ．这是不可能的，因为无论如何小明的力气也没那么大C ．这有可能，A 板对衣橱的推力有可能大于小明的重力D ．这有可能，A 板对衣橱的推力不可能大于小明的重力解析 开始小明是推不动衣橱的，但是小明的推力与他自身的重力没什么关系．如图：小明的重力可以分解成沿A 、B 两个方向的力，由于底角较小，所以A 、B 方向的力会很大．A 对衣橱的力可以分解成水平方向和垂直方向的力，而水平方向的力有可能大于小明的重力，故选C .答案 C图38166．如图3816所示，光滑斜面的倾角为θ，有两个相同的小球1、2，分别用光滑挡板A 、B 挡住．挡板A 沿竖直方向，挡板B 垂直斜面．试求：(1)分别将小球所受的重力按效果进行分解； (2)两挡板受到两个球压力大小之比； (3)斜面受到两个球压力大小之比．解析 球1所受重力按效果分解如图甲所示，F 1＝G tan θ，F 2＝Gcos θ，球2所受重力按效果分解如图乙所示，F 3＝G sinθ，F 4＝G cos θ.所以挡板A 、B 所受压力之比：F 1F 3＝G tan θG sin θ＝1cos θ，斜面所受压力之比：F2F 4＝Gcos θG cos θ＝1cos 2θ.答案 见解析题组二 有限制条件的力的分解图38177．已知力F 的一个分力F 1跟F 成30°角，F 1大小未知，如图3817所示，则另一个分力F 2的最小值为( )A .F 2B .33FC ．FD ．无法判断解析 由力的三角形知识可知，当F 2与力F 1垂直时，F 2为最小值，故F 2＝Fsin30°＝F2.答案 A8．在力的分解中，如果已知一个分力的大小和另一个分力的方向，那么它的解是( )A ．在任何情况下只有唯一解B ．可能有唯一解C ．可能无解D ．可能有两组解解析 已知一个分力的大小和另一个分力的方向，根据平行四边形定则，将已知力分解，可能有两解，可能有一解，也可能无解．当如图甲所示，一个分力的大小正好等于F sin θ，因此只有一种解； 当如图乙所示，当一个分力的大小大于F sin θ时，因此有两种解；当如图丙所示，当一个分力的大小小于F sin θ时，没有解．因此A 错误，B 、C 、D 正确．解析 BCD9．把一个80 N 的力F 分解成两个分力F 1、F 2，其中力F 1与F 的夹角为30°，求：(1)当F 2最小时，另一个分力F 1的大小． (2)F 2＝50 N 时F 1的大小．解析 (1)当F 2最小时，如图甲所示，F 1和F 2垂直，此时F 1＝F cos 30°＝80×32 N ＝403 N .(2)根据图乙所示，F sin 30°＝80 N ×12＝40 N ＜F 2，则F 1有两个值．F 1′＝F cos 30°－F 22－（F·sin 30°）＝(403－30) N ，F 1″＝(403＋30) N . 答案 (1)40 3 N (2)(403－30) N 或(403＋30) N 题组三 力的正交分解10．已知竖直平面内有一个大小为10 N 的力作用于O 点，该力与x 轴正方向之间的夹角为30°，与y 轴正方向之间的夹角为60°，现将它分解到x 轴和y 轴方向上，则( )A ．F x ＝5 N ，F y ＝5 NB ．F x ＝5 3 N ，F y ＝5 NC ．F x ＝5 N ，F y ＝5 3 ND ．F x ＝10 N ，F y ＝10 N解析 画出坐标系及受力情况，如图所示，已知两分力方向，作出平行四边形．由三角形关系得F x ＝F cos 30°＝5 3 N ，F y ＝F sin 30°＝5 N ．故B 正确．答案 B11．如图3818所示，甲、乙、丙三个物体质量相同，与地面的动摩擦因数相同，受到三个大小相同的作用力F ，当它们滑动时，受到的摩擦力大小是( )图3818A ．甲、乙、丙所受摩擦力相同B ．甲受到的摩擦力最大C ．乙受到的摩擦力最大D ．丙受到的摩擦力最大解析 题图中三个物体对地面的压力分别为F N 甲＝mg －F sin θ，F N 乙＝mg ＋F sin θ，F N 丙＝mg ，因它们均相对地面滑动，由F ＝μF N 知，F 乙＞F 丙＞F 甲，故C 正确．答案 C图381912．如图3819所示，重力为500 N 的人通过跨过定滑轮的轻绳牵引重力为200 N 的物体，当绳与水平面成60°角时，物体静止．不计滑轮与绳的摩擦，求地面对人的支持力和摩擦力的大小．解析 人与重物静止，所受合力为零，对重物受力分析得，绳的拉力F 1＝200 N ；对人受力分析，人受重力G 、拉力F 1、支持力F N 、摩擦力F f ，可将绳的拉力F 1正交分解，如图所示．根据平衡方程可得：水平方向：F f ＝F 1x ＝F 1cos 60°＝200×12 N ＝100 N竖直方向：F N ＝G －F 1sin 60°＝(500－200×32)N ＝100(5－3) N ＝326.8 N . 答案 326.8 N 100 N图382013．如图3820所示，一质量为m 的物块在固定斜面上受平行斜面向上的拉力F 的作用而匀速向上运动，斜面的倾角为30°，物块与斜面间的动摩擦因数μ＝32，则拉力F 的大小为多少？解析 受力分析如图所示，可沿斜面向上为x 轴正方向，垂直斜面向上为y 轴正方向建立直角坐标系，将重力向x轴及y轴分解，因物体处于平衡状态，由共点力的平衡条件可知：平行于斜面方向：F－mg sinα－f＝0；垂直于斜面方向：F N－mg cosα＝0；其中f＝μF N；由以上三式解得：F＝mg sinα＋μmg cosα＝mg(12＋32×32)＝54mg.答案54mg。