【精准解析】2021高考物理教科版：第二章+微专题13+解决”动态平衡“问题的几种方法

1．三力动态平衡常用图解法、相似三角形法、正弦定理法、等效圆周角不变法等，三个力中重力一般不变：(1)若还有一个力方向不变，第三个力大小方向都变时可用图解法；(2)若另外两个力大小方向都变，且有几何三角形与力的三角形相似的可用相似三角形法；(3)若另外两个力大小方向都变，且知道力的三角形中各角的变化规律的可用正弦定理；(4)若另外两个力大小方向都变，且这两个力的夹角不变的可用等效圆周角不变法或正弦定理．2．多力动态平衡问题常用解析法．3．涉及到摩擦力的时候要注意静摩擦力与滑动摩擦力的转换．1．(2019·重庆市沙坪坝等主城六区第一次调研抽测)如图1，轻绳一端系在小球A上，另一端系在圆环B上，B套在粗糙水平杆PQ上．现用水平力F作用在A上，使A从图中实线位置(轻绳竖直)缓慢上升到虚线位置，但B仍保持在原来位置不动．则在这一过程中，杆对B的摩擦力F1、杆对B的支持力F2、绳对B的拉力F3的变化情况分别是()图1A．F1逐渐增大，F2保持不变，F3逐渐增大B．F1逐渐增大，F2逐渐增大，F3逐渐增大C．F1保持不变，F2逐渐增大，F3逐渐减小D．F1逐渐减小，F2逐渐减小，F3保持不变2.(2020·河北衡水中学调研)如图2所示，有一质量不计的杆AO，长为R，可绕A自由转动，用轻绳在O点悬挂一个重力为G的物体，另一根轻绳一端系在O点，O点为圆弧的圆心，另一端系在圆弧形墙壁上的C点，当该轻绳端点由点C逐渐沿圆弧CB向上移动的过程中(保持OA与地面夹角θ不变)，OC绳拉力的大小变化情况是()图2A ．逐渐减小B ．逐渐增大C ．先减小后增大D ．先增大后减小3．(多选)(2017·全国卷Ⅰ·21)如图3，图3柔软轻绳ON 的一端O 固定，其中间某点M 拴一重物，用手拉住绳的另一端N .初始时，OM竖直且MN 被拉直，OM 与MN 之间的夹角为α(α＞π2．现将重物向右上方缓慢拉起，并保持夹角α不变．在OM 由竖直被拉到水平的过程中()A ．MN 上的张力逐渐增大B ．MN 上的张力先增大后减小C ．OM 上的张力逐渐增大D ．OM 上的张力先增大后减小4．(2019·山东大联考三模)如图4，用硬铁丝弯成的光滑半圆环竖直放置，直径竖直，O 为圆心，最高点B 处固定一光滑轻质滑轮，质量为m 的小环A 穿在半圆环上．现用细线一端拴在A 上，另一端跨过滑轮用力F 拉动，使A 缓慢向上移动．小环A 及滑轮B 大小不计，在移动过程中，关于拉力F 以及半圆环对A 的弹力N 的说法正确的是()图4A ．F 逐渐增大B ．N 方向始终指向圆心OC ．N 逐渐变小D ．N 大小不变5．(多选)(2019·山东烟台市第一学期期末)如图5所示，一质量为m 、半径为r 的光滑球A 用细绳悬挂于O 点，另一质量为M 、半径为R 的半球形物体B 被夹在竖直墙壁和A 球之间，B 的球心到O 点之间的距离为h ，A 、B 的球心在同一水平线上，A 、B 处于静止状态．重力加速度为g .则下列说法正确的是()图5mgA．A对B的压力大小为R＋rhB．竖直墙壁对B的摩擦力可能为零C．当只轻轻把球B向下移动一点距离，若A、B再次保持静止，则A对B的压力大小保持不变，细绳拉力增大D．当只轻轻把球B向下移动一点距离，若A、B再次保持静止，则A对B的压力减小，细绳拉力减小6．(2020·河南开封市模拟)在粗糙水平地面上与墙平行放着一个截面为半圆的柱状物体A，A 与竖直墙之间放另一截面也为半圆的光滑柱状物体B，整个装置处于静止状态，截面如图6所示．设墙对B的作用力为F1，B对A的作用力为F2，地面对A的作用力为F3.在B上加一物体C，整个装置仍保持静止，则()图6A．F1保持不变，F3增大B．F1增大，F3保持不变C．F2增大，F3增大D．F2增大，F3保持不变7．(多选)(2019·安徽省A10联盟开年考)如图7，倾角为30°的斜面体放置于粗糙水平地面上，物块A通过跨过光滑定滑轮的柔软轻绳与小球B连接，O点为轻绳与定滑轮的接触点．初始时，小球B在水平向右的拉力F作用下使轻绳OB段与水平拉力F的夹角θ＝120°，整个系统处于静止状态．现将小球向右上方缓慢拉起，并保持夹角θ不变，从初始到轻绳OB段水平的过程中，斜面体与物块A均保持静止不动，则在此过程中()图7A．拉力F逐渐增大B．轻绳上的张力先增大后减小C．地面对斜面体的支持力逐渐增大D．地面对斜面体的摩擦力先增大后减小8．(2019·湖南衡阳市第一次联考)如图8所示的装置中，在A端用外力F把一个质量为m的小球沿倾角为30°的光滑斜面匀速向上拉动，已知在小球匀速运动的过程中，拴在小球上的绳子与水平固定杆之间的夹角从45°变为90°，斜面体与水平地面之间是粗糙的，并且斜面体一直静止在水平地面上，不计滑轮与绳子之间的摩擦．则在小球匀速运动的过程中，下列说法正确的是()图8A．外力F一定增大B．地面对斜面体的静摩擦力始终为零C．绳子对水平杆上的滑轮的合力一定大于绳子的拉力D．绳子A端移动的速度大小等于小球沿斜面运动的速度大小9．(2019·湖北省黄冈中学第三次模拟)哥伦比亚大学的工程师研究出一种可以用于人形机器人的合成肌肉，可模仿人体肌肉做出推、拉、弯曲和扭曲等动作．如图9所示，连接质量为m 的物体的足够长细绳ab一端固定于墙壁，用合成肌肉做成的“手臂”ced的d端固定一滑轮，c端固定于墙壁，细绳绕过滑轮，c和e类似于人手臂的关节，由“手臂”合成肌肉控制．设cd与竖直墙壁ac夹角为θ，不计滑轮与细绳的摩擦，下列说法正确的是()图9A．若保持θ不变，增大cd长度，细绳ad部分拉力变大B．若保持θ＝90°，增大cd长度，细绳对滑轮的力始终沿dc方向C．若保持ac等于ad，增大cd长度，细绳对滑轮的力始终沿dc方向D．若θ从90°逐渐变为零，cd长度不变，且保持ac>cd，则细绳对滑轮的力先减小后增大10．(2020·山东临沂市质检)如图10所示，一光滑的轻滑轮用细绳OO′悬挂于O点；另一细绳跨过滑轮，其一端悬挂质量为m的物块A，另一端系一位于固定光滑斜面上的质量为2m 的物块B，斜面倾角θ＝45°，外力F沿斜面向上拉物块B，使物块B由滑轮正下方位置缓慢运动到和滑轮等高的位置，则()图10A．细绳OO′的拉力逐渐增大B．细绳对物块B的拉力逐渐变大C．斜面对物块B的支持力逐渐变大D．外力F逐渐变大11.(2019·安徽省皖北协作区联考)如图11所示，两块固定且相互垂直的光滑挡板POQ，OP 竖直放置，OQ水平，小球a、b固定在轻弹簧的两端，现有一个水平向左的推力，作用于b 上，使a、b紧靠挡板处于静止状态．现用力F推动小球b，使之缓缓到达b′位置，则()图11A．推力F变大B．b对OQ的压力变大C．弹簧长度变短D．弹簧长度变长12．(多选)(2019·湖南长沙一中月考)《大国工匠》节目中讲述了王进利用“秋千法”在1000kV的高压线上带电作业的过程．如图12所示，绝缘轻绳OD一端固定在高压线杆塔上的O点，另一端固定在兜篮上．另一绝缘轻绳跨过固定在杆塔上C点的定滑轮，一端连接兜篮，另一端由工人控制．身穿屏蔽服的王进坐在兜篮里，缓慢地从C点运动到处于O点正下方E点的电缆处．绳OD一直处于伸直状态，兜篮、王进及携带的设备总质量为m，不计一切阻力，重力加速度大小为g.关于王进从C点运动到E点的过程中，下列说法正确的是()图12A．工人对绳的拉力一直变大B．绳OD的拉力一直变小C．OD、CD两绳拉力的合力大小等于mgmgD．当绳CD与竖直方向的夹角为30°时，工人对绳的拉力为33答案精析1．A[设小球A的质量为m，圆环B的质量为M，对A受力分析，如图甲所示，甲乙由平衡条件可得F3′cosα＝mg，F＝mg tanα，故随α增大，F增大，则F3′增大，即F3增大；再对两者的整体受力分析，如图乙所示，有：F1＝F，F2＝(M＋m)g，则F2不变，F1增大，故选A.]2.C[对物体受力分析，物体受力平衡，则竖直绳的拉力等于物体的重力G，故竖直绳的拉力不变；再对O点分析，O点总受竖直绳的拉力、OA的支持力F及OC绳的拉力而处于平衡状态，受力分析如图所示，F和OC绳的拉力的合力与G大小相等，方向相反，则在OC绳端点上移的过程中，平行四边形的对角线保持不变，由图可知OC绳的拉力先减小后增大，故C正确．]3．AD[以重物为研究对象，受重力mg、OM绳上拉力F2、MN上拉力F1，由题意知，三个力的合力始终为零，矢量三角形如图所示，F1、F2的夹角为π－α不变，在F2转至水平的过程中，矢量三角形在同一外接圆上，由图可知，MN上的张力F1逐渐增大，OM上的张力F2先增大后减小，所以A、D正确，B、C错误．] 4．D[在小环A缓慢向上移动的过程中，小圆环A处于三力平衡状态，根据平衡条件知mg 与N的合力与T等大反向共线，作出mg与N的合力，如图，由三角形相似得：mg BO ＝N OA ＝T AB由于最高点B 处固定一光滑轻质滑轮，则F ＝T ，可得：F ＝T ＝AB BO mg ，AB 变小，BO 不变，则F 变小，故A 错误；N ＝OA BOmg ，AO 、BO 都不变，则N 不变，方向始终背离圆心，故B 、C 错误，D 正确．]5．AD [分析A 球的受力情况，如图所示，N 与mg 的合力与T 等大反向共线，根据两个阴影三角形相似有：N R ＋r ＝mg h ＝T OA，得：N ＝R ＋r h mg ，T ＝OA h mg ，由牛顿第三定律知A 对B 的压力大小为：N ′＝N ＝R ＋r hmg ，故A 正确；B 在竖直方向受到重力，而A 、B 间无摩擦，由平衡条件知竖直墙壁对B 一定有摩擦力，故B 错误；当只轻轻把球B 向下移动一点距离，分析A 球的受力情况，如图乙所示：N 与T 的合力与mg 等大反向共线，根据两个阴影三角形相似得：N R ＋r ＝mg L ＝T OA可得：N ＝R ＋r Lmg ，T ＝OA L mg ，由于L ＞h ，可知，N 减小，T 减小，由牛顿第三定律知A 对B 的压力减小，故C 错误，D 正确．]6．C [先对B 、C 整体受力分析，受重力、墙壁支持力和A 的支持力，根据平衡条件，三个力可以构成首尾相连的矢量三角形，如图所示，在B上加一C物体，相当于整体的重力增加了，故墙对B的作用力F1增加，A对B的支持力也增加，根据牛顿第三定律，B对A的作用力F2增加；再对A、B、C整体分析，受重力、地面的支持力、地面的静摩擦力、墙壁的支持力，根据平衡条件，地面的支持力等于整体的重力，故加上C物体后，地面的支持力和摩擦力均变大，则F3变大，故A、B、D错误，C 正确．]7．AD[小球B受重力mg、轻绳OB的拉力T和拉力F，由题意可知，三个力的合力始终为零，矢量三角形如图．在T转至水平的过程中，轻绳OB的拉力T逐渐减小，拉力F逐渐变大，故选项A正确，B 错误；整体(含斜面体，物块A和小球B)受向下的重力，向上的支持力，向左的摩擦力和拉力四个力的作用，根据小球的受力分析可知，拉力F的竖直分力逐渐增大，水平分力先增大后减小，所以支持力逐渐减小，摩擦力先增大后减小，故选项C错误，D正确．]8．A9．C[细绳ad、bd的拉力大小等于物体的重力，如终不变，选项A错误；若保持θ＝90°，因T ad＝T db＝mg，则ad绳和bd绳拉力的合力方向指向左下方∠adb角平分线的方向，则细绳对滑轮的力方向指向左下方，不沿dc方向，选项B错误；若保持ac＝ad，则∠acd＝∠adc ＝∠cdb，则此时ad绳和bd绳拉力的合力方向沿dc方向，即使增大cd长度，上述关系仍然不变，即细绳对滑轮的力始终沿dc方向，选项C正确；若θ从90°逐渐变为零，cd长度不变，且保持ac>cd，则ad与ac的夹角先增大后减小，ad与db的夹角先减小后增大，则ad绳和bd绳拉力的合力先增大后减小，即细绳对滑轮的力先增大后减小，选项D错误．]10.D[由题可知，物块缓慢移动整体都处于平衡状态，则绳OO′的拉力等于下面绳对A的拉力和绳对B的拉力的合力，由于绳对A的拉力和绳对B的拉力大小相等，都等于物块A 的重力的大小，但是由于物块B上移，导致二者之间的夹角变大，则根据平行四边形定则可知合力变小，即绳OO′的拉力逐渐减小，故选项A、B错误；物块B未运动前，对物块B 受力分析如图所示，当物块B上移时，α先减小后增大，在垂直斜面方向根据平衡方程可知：斜面对物块B的支持力先减小后增大，在沿斜面方向根据平衡条件可知外力F 逐渐变大，故选项C 错误，D 正确．]11．D [隔离a 分析受力，设此时a 、b 间作用力与水平方向的夹角为θ，如图甲所示，由力的平衡条件可得：F ′＝mg sin θ，N ＝mg tan θ小球到达b ′位置，当a 、b 重新处于静止状态时，由几何关系可知，θ增大，则sin θ、tan θ增大，F ′减小，N 减小，根据胡克定律可知弹簧的形变量变小，所以弹簧长度变长，故D 正确，C 错误；对a 、b 的整体受力分析如图乙所示：由共点力的平衡条件可知，a 、b 重新处于静止状态前后，OQ 挡板对b 的支持力始终和a 、b 的总重力大小相等，保持不变，推力F ＝N 在减小，故A 、B 错误．]12．CD [对兜篮、王进及携带的设备整体受力分析如图所示，绳OD 的拉力为F 1，与竖直方向的夹角为θ，绳CD 的拉力为F 2，与竖直方向的夹角为α.根据几何知识可知θ＋2α＝90°，由正弦定理可得，F 1sin α＝F 2sin θ＝mg sin (180°－θ－α)＝mg sin (90°＋α)，王进从C 点运动到E 点的过程中，α增大，θ减小，则F 1增大，F 2减小，选项A 、B 错误；两绳拉力的合力大小等于mg ，选项C 正确；当绳CD 与竖直方向的夹角为α＝30°时，θ＝30°，2F 2cos 30°＝mg ，可得F 2＝33mg ，即工人对绳的拉力为33mg ，选项D 正确．]。