物理建模轻杆轻绳轻弹簧模型图文稿
高考物理轻绳、轻弹簧、轻杆模型
高考物理轻绳、轻弹簧、轻杆模型在力学中有很多的研究对象是通过“轻绳”“轻杆”“轻弹簧”连接的，在实际解题过程中，发现不少同学对这三种模型的特点、区别还不够清楚，容易混淆，造成解题错误。
特别提醒：轻杆的弹力方向“三百六十度”无死角。
轻绳特点轻绳模型的建立轻绳或称为细线，它的质量可忽略不计，轻绳是软的，不能产生侧向力，只能产生沿着绳子方向的力。
它的劲度系数非常大，以至于认为在受力时形变极微小，看作不可伸长。
轻绳模型的特点①轻绳各处受力相等，且拉力方向沿着绳子；②轻绳不能伸长；③用轻绳连接的系统通过轻绳的碰撞、撞击时，系统的机械能有损失；④轻绳的弹力会发生突变。
轻杆特点轻杆模型的建立轻杆的质量可忽略不计，轻杆是硬的，能产生侧向力，它的劲度系数非常大，以至于认为在受力时形变极微小，看作不可伸长或压缩。
轻杆模型的特点①轻杆各处受力相等，其力的方向不一定沿着杆的方向；②轻杆不能伸长或压缩；③轻杆受到的弹力的方式有拉力或压力。
轻弹簧特点轻弹簧模型的建立轻弹簧可以被压缩或拉伸，其弹力的大小与弹簧的伸长量或缩短量有关。
轻弹簧的特点①轻弹簧各处受力相等，其方向与弹簧形变的方向相反；②弹力的大小为F=kx，其中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的伸长量或缩短量；③弹簧的弹力不会发生突变。
特别提醒：橡皮筋与轻弹簧极为相似，只是橡皮筋不能被压缩！静止或匀速运动例1、如图所示，有一质量为m的小球用轻绳悬挂于小车顶部，小车静止或匀速直线运动时，求绳子对小球作用力的大小和方向。
解析：小车静止或匀速直线运动时，小球也处于静止或匀速直线运动状态。
由平衡条件可知，绳子对小球的弹力为F=mg，方向是沿着绳子向上。
若将轻绳换成轻弹簧，其结果是一样的。
例2、如图所示，小车上有一弯折轻杆，杆下端固定一质量为m的小球。
当小车处于静止或匀速直线运动状态时，求杆对球的作用力的大小和方向。
解析：以小球为研究对象，可知小球受到杆对它一个的弹力和重力作用，由平衡条件可知小球受力如图所示。
高考物理 模型系列之对象模型 专题03 轻绳、轻杆、轻弹簧、接触面模型(2)学案
专题03 轻绳、轻杆、轻弹簧、接触面模型（2）3.轻绳、轻杆、接触面形成的临界与极值问题 （i ）轻绳形成的临界与极值由轻绳形成的临界状态通常有两种,一种是轻绳松弛与绷紧之间的临界状态,其力学特征是绳仍绷直但绳中张力为零;另一种是轻绳断裂之前的临界状态,其力学特征是绳中张力达到能够承受的最大值.（ii ）轻杆形成的临界与极值与由轻绳形成的临界状态类似,一种杆对物体产生拉力与推力之间的临界状态,力学特征是该状态下杆对物体的作用力为零;另一种是轻杆能承受的最大拉力或最大压力所形成的临界状态.（iii ）接触面形成的临界与极值 由接触面形成的临界状态相对较多:①接触面间分离形成的临界,力学特征是接触面间弹力为零②接触面间滑动形成的临界.力学特征是接触面间静摩擦力达到最大值③接触面间翻转、滚动形成的状态，力学特征是接触面间弹力的等效作用点与瞬时转轴重合．或说是接触面间弹力的作用线通过瞬时转轴．例10.物体A 质量为kg m 2=，用两根轻绳B 、C 连接到竖直墙上，在物体A 上加一恒力F ，若图中力F 、轻绳AB 与水平线夹角均为︒=60θ，要使两绳都能绷直，求恒力F 的大小。
【答案】N F N 1.236.11≤≤【解析】：要使两绳都能绷直，必须0021≥≥F F ，，再利用正交分解法作数学讨论。
作出A 的受力分析图，由正交分解法的平衡条件：例10题图例11.如图所示，绳子AB能承受的最大拉力为1000N, 轻杆AC能承受的最大压力为2000N, 问：A点最多能悬挂多重的物体？例11题图【答案】1366N【解析】：以结点A为研究对象，作出其受力图如图所示。
例11答图A点受三个力作用而平衡，且F N和T的合力大小为G。
若T取临界值时，G的最大值为G T；若F N取临界值时，G的最大值为G N，那么A点能悬挂的重物的最大值是G T和G N中的较小值。
在如图所示的力三角形中，由三力平衡条件得：75sin 60sin G F N =，75sin 45sin GF = 当F Nmax = 2000N 时，G N = F Nmax sin75°/sin60°= 2230N 当F max =1000N 时，G T = F max sin75°/sin45° =1366N.当F 最大时，重物的最大重力只能是1366N, 若挂上重2230N 的重物时，AB 绳早被拉断。
高中物理中“轻绳”、“轻杆”和“轻弹簧”问题的分析
高中物理中“轻绳”、“轻杆”和“轻弹簧”的问题分析中学阶段常涉及到“轻绳”、“轻杆”和“轻弹簧”模型，这三种模型都是由各种实际情况中的绳、杆和弹簧抽象出来的理想化物理模型。
但它们的成因和特性并不完全相同，由此导致这类模型在实际应用中有很多同学混淆出错，下面对这三种模型的特点及区别应用作一些简单的讨论和分析。
一、三个模型的正确理解1. 轻绳模型轻绳也称细线，它的质量可忽略不计；轻绳是软的；同时它的劲度系数非常大，可认为在受外力作用时它的形变极微小，看作不可伸长；其弹力的主要特征是：①不能承受压力，不能产生侧向力，只能产生沿绳收缩方向的拉力。
②内部张力大小处处相等，且与运动状态无关。
③轻绳的弹力大小可发生突变。
2. 轻杆模型轻杆的质量可忽略不计，轻杆是硬的，它的劲度系数非常大，可认为在受外力作用时形变极微小，看作不可伸长或压缩；其弹力的主要特征是：①轻杆既可产生压力、也可产生拉力，且能产生侧向力〔力的方向不一定沿着杆的方向〕；②轻杆各处受力大小相等，且与运动状态无关；③轻杆的弹力可发生突变。
3. 轻弹簧模型轻弹簧的质量可忽略不计，可以被压缩或拉伸。
其弹力的主要特征是：①轻弹簧能产生沿弹簧轴线伸缩方向的压力或拉力；②轻弹簧各处受力大小相等，且与弹簧形变的方向相反；③轻弹簧产生的弹力是连续变化的，不能发生突变，只能渐变〔除弹簧被剪断外〕；④在弹性限度内，弹力的大小与弹簧的形变量成正比，即F＝kx，其中k 为弹簧的劲度系数，x为弹簧的伸长量或缩短量。
二、三种模型的主要区别及应用下面结合例题分析它们的区别及应用：1. 轻绳对物体只能产生沿绳收缩方向的拉力，而轻杆对物体的弹力不一定沿杆的方向。
【例1】如图1所示，轻绳一端系着质量为m的小球，另一端系在固定于小车上一直杆AB的上端；试求当小车以a的加速度水平向左匀加速度直线运动，轻绳对小球作用力的大小和方向？解析：如图2所示，小球受两个力作用：重力mg和绳对小球弹力T。
轻绳、轻杆和轻弹簧模型(修)
轻绳、轻杆和轻弹簧模型的应用一、三个模型的相同点1、“轻”—不计质量，不受重力。
2、在任何情况下，沿绳、杆和弹簧伸缩方向的张力、弹力处处相等。
二、三个模型的不同点1、形变特点轻绳—可以任意弯曲，但不能伸长，即伸长形变不计。
轻杆—不能任意弯曲，不能伸长和缩短，即伸缩形变不计。
轻弹簧—可以伸长，也可以缩短，且伸缩形变不能忽略不计。
2、施力和受力特点轻绳—只能产生和承受沿绳方向的拉力。
轻杆—不仅能产生和承受沿杆方向的拉力和压力，还能产生和承受不沿杆方向的拉力和压力。
轻弹簧—可以产生和承受沿弹簧伸缩方向的拉力和压力。
3、力的变化特点轻绳—张力的产生、变化、或消失不需要时间，具有突变性和瞬时性。
轻杆—拉力和压力的产生、变化或消失不需要时间，具有突变性和瞬时性。
轻弹簧—弹力的产生、变化或消失需要时间，即只能渐变，不具有瞬时性，且在形变保持瞬间，弹力保持不变。
（注意：当弹簧的自由端无重物时，形变消失不需要时间）4、连接体的运动特点轻绳—轻绳平动时，两端的连接体沿绳方向的速度（或速度分量）总是相等，且等于省上各点的平动速度；轻绳转动并拉直时，连接体具有相同的角速度，而线速度与转动半径成正比。
轻杆—轻杆平动时，连接体具有相同的平动的速度；轻杆转动时，连接体具有相同的角速度，而线速度与转动半径成正比。
轻弹簧—在弹簧发生形变的过程中，两端连接体的速率不一定相等；在弹簧形变最大，即弹性势能最大时，两端连接体的速率相等；在弹簧转动时，连接体的转动半径随弹力变化，速度方向不一定垂直于弹力。
5、作功和能量转化特点轻绳—在连接体作匀速率和变速率圆周运动的过程中，绳的拉力都不作功；在绳突然拉直的瞬间，有机械能转化为绳的内能，即机械能不守恒。
轻杆—在连接体作匀速率和变速率圆周运动的过程中，轻杆的法向力对物体不作功，而切向力既可以对物体作正功，也可以对物体作负功，但系统机械能守恒。
轻弹簧—弹力对物体作功，系统机械能守恒；弹力作正功，弹性势能减少，物体动能增加；弹力作负功，弹性势能增加，物体动能减少。
轻质绳、轻杆、轻弹簧模型问题剖析
２１ ０ １年 第 ６期 （ 半 月 ） 上
Ｖｏ１２ Ｎｏ ４１ ． ９ ． ８ （ ６２ １ ． ９ Ｓ） ． Ｏ１ ２
轻 质 绳 杆 弹 簧 模 型 问 题 剖 析 轻 轻
程 少 华
西 南 大 学 西 南 民族 教 育 与 心 理 研 究 中心 ， 庆 市 北 碚 区 ４ ０ ０ 重 ０７０
ＣＯ Ｓ
ａｃａ （ ） 当 ａ＝ ｇ・ ａ ０ ， Ｎ的 方 向 是 沿 斜 ｒｔｎ 笠 ； ： ＝ ｔｎ 时 Ｆ
ａ
杆 的方 向 。
注： 如果 将杆 改为 轻质绳 ， 其他条 件 不变 ， 则 当小 车水平 向右 以加 速 度 ａ运 动时 ， 球仅 受 重 小
② 同一 轻弹簧 的两端 和中间各点 的张力相 等 ；
③ 既 能 承 受 拉 力 也 能 承 受 压 力 ， 的 方 向 力 与 弹簧 的形 变方 向相 反 ； ④ 受力 时 发 生 形 变 的过 程 需 要 一 段 时 间 ， 所 以在瞬 时 问题 中弹 簧 的弹力 不 能发 生 突变 ， 大 小 和 方 向 均 不 变 ； 是 当 弹 簧 被 剪 断 时 ， 力 立 但 弹
解析 未 剪 断 Ｌ 之 前 ， 小球 受 Ｌ 的拉 力
Ｆ 、 。 拉 力 Ｆ 和 小 球 的 重 力 Ｇ共 同 作 用 ， 力 。Ｌ 的 三
③ 只能产 生 拉力 。 能 产生 压 力 ， 其 他 物 与
体相 互作 用 时总是 沿 绳 ｆ方 向 ； ④ 在 瞬 时 问 题 中轻 绳 的拉 力 发 生 突 变 ， 不
故 Ｆｌ— ｒｇｃ ｓ ｕ ｏ０
（ ）轻 杆 模 型 ： ２
① 不能伸长或压缩 ， 质量和重力可以视为零 ； ② 同～根轻杆 的两端 和中间各点 的张力相 等 ；
物理建模轻杆轻绳轻弹簧模型
物理建模 1.轻杆、轻绳、轻弹簧模型模型阐述轻杆、轻绳、轻弹簧都是忽略质量的理想模型，与这三个模型相关的问题在高中物理中有相当重要的地位，且涉及的情景综合性较强，物理过程复杂，能很好地考查学生的综合分析能力，是高考的常考问题.为结点)图2－1－8【典例2】 一轻弹簧两端分别连接物体a 、b ，在水平力作用下共同向右做匀加速运动，如图2－1－9所示，在水平面上时，力为F 1，弹簧长为L 1，在斜面上时，力为F 2，弹簧长为L 2，已知a 、b 两物体与接触面间的动摩擦因数相同，则轻弹簧的原长为( )．图2－1－9A.L 1＋L 22B.F 1L 1－F 2L 2F 2－F 1C.F 2L 1－F 1L 2F 2－F 1 D.F 2L 1＋F 1L 2F 2＋F 1即学即练 (2013·石家庄质检，18)如图2－1－10所示，一个“Y”形弹弓顶部跨度为L ，两根相同的橡皮条自由长度均为L ，在两橡皮条的末端用一块软羊皮(长度不计)做成裹片．若橡皮条的弹力与形变量的关系满足胡克定律，且劲度系数为k ，发射弹丸时每根橡皮条的最大长度为2L (弹性限度内)，则发射过程中裹片对弹丸的最大作用力为( )．图2－1－10A ．kLB ．2kL C.32kL D.152kL 附：对应高考题组(PPT 课件文本，见教师用书)1．(2010·新课标全国卷，15)一根轻质弹簧一端固定，用大小为F 1的力压弹簧的另一端，平衡时长度为l 1；改用大小为F 2的力拉弹簧，平衡时长度为l 2.弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内，该弹簧的劲度系数为( )．A.F 2－F 1l 2－l 1 B.F 2＋F 1l 2＋l 1C.F 2＋F 1l 2－l 1 D.F 2－F 1l 2＋l 12．(2011·山东卷，19)如图所示，将两相同的木块a 、b 置于粗糙的水平地面上，中间用一轻弹簧连接，两侧用细绳系于墙壁．开始时a 、b 均静止，弹簧处于伸长状态，两细绳均有拉力，a 所受摩擦力F f a ≠0，b 所受摩擦力F f b ＝0.现将右侧细绳剪断，则剪断瞬间( )．A ．F f a 大小不变B ．F f a 方向改变C ．F f b 仍然为零D ．F f b 方向向右3．(2012·山东基本能力，85)力是物体间的相互作用，下列有关力的图示及表述正确的是( )．物理建模 1.轻杆、轻绳、轻弹簧模型模型阐述轻杆、轻绳、轻弹簧都是忽略质量的理想模型，与这三个模型相关的问题在高中物理中有相当重要的地位，且涉及的情景综合性较强，物理过程复杂，能很好地考查学生的综合分析能力，是高考的常考问题.为结点)图2－1－8解析 甲为自由杆，受力一定沿杆方向，如下图甲所示的F N1.乙为固定杆，受力由O 点所处状态决定，此时受力平衡，由平衡条件知杆的支持力F N2的方向与mg 和F 1的合力方向相反，如下图乙所示．答案 如解析图所示【典例2】 一轻弹簧两端分别连接物体a 、b ，在水平力作用下共同向右做匀加速运动，如图2－1－9所示，在水平面上时，力为F 1，弹簧长为L 1，在斜面上时，力为F 2，弹簧长为L 2，已知a 、b 两物体与接触面间的动摩擦因数相同，则轻弹簧的原长为( )．图2－1－9A.L 1＋L 22B.F 1L 1－F 2L 2F 2－F 1C.F 2L 1－F 1L 2F 2－F 1 D.F 2L 1＋F 1L 2F 2＋F 1解析 设物体a 、b 的质量分别为m 1、m 2，与接触面间的动摩擦因数为μ，弹簧原长为L 0，在水平面上时，以整体为研究对象有F 1－μ(m 1＋m 2)g ＝(m 1＋m 2)a ，①隔离a 物体有k (L 1－L 0)－μm 1g ＝m 1a ，② 联立解得k (L 1－L 0)＝m 1m 1＋m 2F 1，③ 同理可得k (L 2－L 0)＝m 1m 1＋m 2F 2，④ 联立③④可得轻弹簧的原长为L 0＝F 2L 1－F 1L 2F 2－F 1，C 对．答案 C反思总结 如何理解理想化模型——“轻弹簧”与“橡皮筋” (1)弹簧与橡皮筋产生的弹力遵循胡克定律F ＝kx ，x 是指形变量．(2)“轻”即指弹簧(或橡皮筋)的重力不计，所以同一弹簧的两端及中间各点的弹力大小相等． (3)弹簧既能受拉力，也能受压力(沿弹簧轴线)，分析弹簧问题时一定要特别注意这一点，而橡皮筋只能受拉力作用．(4)弹簧和橡皮筋中的弹力均不能突变，但当将弹簧(或橡皮筋)剪断时，其弹力立即消失．即学即练 (2013·石家庄质检，18)如图2－1－10所示，一个“Y”形弹弓顶部跨度为L ，两根相同的橡皮条自由长度均为L ，在两橡皮条的末端用一块软羊皮(长度不计)做成裹片．若橡皮条的弹力与形变量的关系满足胡克定律，且劲度系数为k ，发射弹丸时每根橡皮条的最大长度为2L (弹性限度内)，则发射过程中裹片对弹丸的最大作用力为( )．图2－1－10A ．kLB ．2kL C.32kL D.152kL 解析 对裹片受力分析，由相似三角形可得：kL2L＝F2?2L ?2－⎝⎛⎭⎫L 22得：F ＝152kL 则裹片对弹丸的最大作用力为F 丸＝F ＝152kL ，故选项D 正确． 答案 D附：对应高考题组(PPT 课件文本，见教师用书)1．(2010·新课标全国卷，15)一根轻质弹簧一端固定，用大小为F 1的力压弹簧的另一端，平衡时长度为l 1；改用大小为F 2的力拉弹簧，平衡时长度为l 2.弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内，该弹簧的劲度系数为( )．A.F 2－F 1l 2－l 1B.F 2＋F 1l 2＋l 1 C.F 2＋F 1l 2－l 1 D.F 2－F 1l 2＋l 1解析 设弹簧原长为l ，由题意知，F 1＝k (l －l 1)，F 2＝k (l 2－l )，两式联立，得k ＝F 2＋F 1l 2－l 1，选项C 正确． 答案 C2．(2011·山东卷，19)如图所示，将两相同的木块a 、b 置于粗糙的水平地面上，中间用一轻弹簧连接，两侧用细绳系于墙壁．开始时a、b均静止，弹簧处于伸长状态，两细绳均有拉力，a所受摩擦力F f a≠0，b所受摩擦力F f b＝0.现将右侧细绳剪断，则剪断瞬间( )．A．F f a大小不变B．F f a方向改变C．F f b仍然为零D．F f b方向向右解析剪断右侧绳的瞬间，右侧细绳上拉力突变为零，而弹簧对两木块的拉力没有发生突变，与原来一样，所以b对地面有向左的运动趋势，受到静摩擦力F f b方向向右，C错误，D正确．剪断右侧绳的瞬间，木块a受到的各力都没有发生变化，A正确，B错误．答案AD3．(2012·山东基本能力，85)力是物体间的相互作用，下列有关力的图示及表述正确的是( )．解析由于在不同纬度处重力加速度g不同，旅客所受重力不同，故对飞机的压力不同，A错误．充足气的篮球平衡时，篮球壳对内部气体有压力作用，即内外气体对篮球壳压力的差值等于篮球壳对内部气体的压力，故B正确．书对桌子的压力作用在桌子上，箭尾应位于桌面上，故C错误．平地上匀速行驶的汽车，其主动轮受到地面的摩擦力是其前进的动力，地面对其从动轮的摩擦力是阻力，汽车受到的动力与阻力平衡时才能匀速前进，故D正确．答案BD。
1、轻杆、轻绳、轻弹簧模型
点评： 解答本题的关键是抓住：活结中轻绳上各点的拉力大小相
等，死结中几段绳子的张力不一定相等。固定轻杆（死杆）作
用力的方向不一定沿杆。当轻杆以铰链形式连接时（活杆）， 要使轻杆处于平衡状态，则两段轻绳的作用力的合力必须沿轻 杆轴线方向。
四、建模启示
• (1)对于弹力方向的确定，一定要分清情景类型及相关结 论和规律尤其要注意结合物体运动状态分析。 • (2)轻杆对物体的弹力不一定沿杆，其具体方向与物体所
处的状态有关，一般应结合物体平衡或牛顿第三定律分析。
• (3)分析此类问题的关键是区别各模型的特点，分析发生 的物理过程，依据不同的物理场景，把握其运动状态，分 析其临界状态下的条件或突变问题中的“拐点”，弄清变化 和不变的物理量，只有如此才能更好的解决此类问题。
解析：杆与球相连，做非匀速圆周运动，其轨迹为圆的一部分， 只有重力做功，由机械能守恒，选取最低处为零势能面，则：
2 vB T mg m 由牛顿第二定律得 l 解得： T m g(3 2 sin )
1 2 mgl (1 sin ) mv B 2
[典例2]轻杆长为L，一端用光滑轴固定，另一端系一个可视为 质点，质量为的小球，把小球拉至图示的位置，无初速度地自 由释放到最低处的过程中，小球做什么运动？到最低处时速度 多大？弹力多少？若其它条件不变，把轻杆换为细绳，则释放 后小球做什么运动？到最低处时速度多大？弹力为多少？
由速度的分解得 由牛顿第二定律得 v1 v c cos
解得 T / 3.5mg
2 mv B T/ mg l
点评： 轻杆与球相连时，只有重力势能向动 能的转化；无能量损耗。轻绳与球相连时， 在绳突然拉紧的瞬间，沿径向的动能将耗
专题03 轻绳、轻杆、轻弹簧、接触面模型(1)-高考物理模型系列之对象模型(解析版)
一模型界定本模型主要讨论绳和杆的弹力以及接触面间作用力的特点、形成的挂件模型、出现的临界与极值问题，以及它们的力的作用的瞬时性即暂态过程的问题等。
二模型破解 1."轻质"的含义 (i)质量为零(ii)任何状态下所受合力为零例1.如图所示，倾角为α的等腰三角形斜面固定在水平面上，一足够长的轻质绸带跨过斜面的顶端铺放在斜面的两侧，绸带与斜面间无摩擦。
现将质量分别为M 、m(M>m)的小物块同时轻放在斜面两侧的绸带上。
两物块与绸带间的动摩擦因数相等，且最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等。
在α角取不同值的情况下，下列说法正确的有A ．两物块所受摩擦力的大小总是相等B ．两物块不可能同时相对绸带静止C ．M 不可能相对绸带发生滑动D ．m 不可能相对斜面向上滑动 【答案】 C时还应满足m f f ≤,即当m M M +≥2μ时两物块都相对绸带静止,B 错误.当mM M+<2μ时,m 相对绸带滑动,物块所受摩擦力达到最大值:M m f mg f <=αμcos ,M 仍相对绸带静止,C 正确.当m 相对绸带滑动时,若满足ααμsin cos mg mg <即αμtan <时m 相对斜面下滑;若αμtan =时m 静止;αμtan >时m 上滑,故D 错误.模型演练1.某缓冲装置的理想模型如图所示,劲度系数足够大的轻质弹簧与轻杆相连,轻杆可在固定的槽内移动,与槽间的滑动摩擦力恒为f . 轻杆向右移动不超过l 时,装置可安全工作. 一质量为m 的小车若以速度v 0 撞击弹簧,将导致轻杆向右移动4l. 轻杆与槽间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,且不计小车与地面的摩擦.(1)若弹簧的劲度系数为k,求轻杆开始移动时,弹簧的压缩量x;(2)求为使装置安全工作,允许该小车撞击的最大速度v m ; (3)讨论在装置安全工作时,该小车弹回速度v ’和撞击速度v 的关系.【解析】:（1）轻杆开始移动时，弹簧的弹力kx F = ① 且f F = ② 解得kfx =③2.弹力 (I)弹力的方向 （i ）绳的弹力①绷直的轻绳，其弹力方向沿着绳，与物体的运动状态无关 ②绳只能对物体施加拉力，不能对物体施加推力練1图③质量不能忽略的绳，绳中某处的张力沿该点绳的切线方向（ii）杆的弹力①轻杆的弹力不一定沿着杆，具体方向与物体的运动状态、杆与物体的连接方式有关②杆既可以对物体产生拉力，也可以对物体产生推力③满足下列条件时杆的弹力一定沿着杆:A.轻杆B.轻杆的一端由转轴或绞链固定C.除转轴或绞链对杆的作用力外,其它作用力作用于杆上同一点.（iii）弹簧的弹力①弹簧弹力的方向沿弹簧的中轴线方向,与运动状态无关②弹簧的弹力可以是拉力也可以是推力(iv)接触面的弹力①接触面的弹力一定垂直于接触面,与物体的运动状态无关②接触面只能对物体产生推力,不能对物体产生拉力③接触面间还可以存在摩擦力(II).弹力的大小①无论轻绳、轻杆还是接触面间的弹力,它们的大小具有一点相同的特征,即弹力的大小与系统所处于的运动状态有关,通常需要从平衡条件或牛顿运动定律来求解.②绕过光滑物体的同一条轻绳上各点的张力仍是相大小等的，如光滑滑轮、光滑挂钩等两侧的轻绳；系于一点的两段绳上张力大小不一定相等．③弹簧的弹力大小与运动状态无关,取决于弹簧劲度系统与形变量,遵从胡克定律.例2.重G的均匀绳两端悬于水平天花板上的A、B两点．静止时绳两端的切线方向与天花板成α角．求绳的A端所受拉力F1和绳中点C处的张力F2.例2 题图【答案】例3.如图所示，车厢里悬挂着两个质量不同的小球，上面的球比下面的球质量大，当车厢向右作匀加速运动(空气阻力不计)时，下列各图中正确的是【答案】B【解析】:由于无论系统是处于平衡状态还是处于非平衡状态,轻绳的张力总是沿着绳的.设上面一段绳与竖直方向的夹角为α，下面一段绳与竖直方向的夹角为β，先把M 、m 看做一个整体，对整体分析可知受到重力和上段绳的拉力如图所示，则由牛顿第二定律知：F 合＝(m ＋M)gtanα＝(M ＋m)a 得：a ＝gtanα.以下面的小球m 为研究对象，则有：mgtanβ＝ma′，其中a′＝a ，所以tanβ＝tanα，即α＝β，故选项B 正确．例 4.如图所示，固定在小车上的斜杆与竖直杆的夹角为θ，在斜杆的下端固定有质量为m 的小球，下列关于杆对球的作用力F 的判断中，正确的是 （ ）A 、小车静止时，cos F mg θ=，方向沿杆向上例3答图例4题图θ例3题图B 、小车静止时，cos F mg θ=，方向垂直杆向上C 、小车向右以加速度a 运动时，一定有/cos F mg θ=D 、小车向左以加速度a 运动时，22g a m F +=，方向斜向左上方，与竖直方向的夹角为arctan(/)a g α=【答案】D根据牛顿第二定律有： sin ,F ma α= cos F mg α=可解得：/cos F mg α=，arctan(/)a g α=,可见α随a 大小而改变，不一定等于θ。
高中物理常见十种模型
a2＝g(sin θ－μcos θ)＝2 m/s2， x2＝L－x1＝5.25 m，
(2 分) (1 分)
x2＝v0t2＋12a2t22，
(2 分)
得 t2＝0.5 s，(2 分) 则煤块从 A 到 B 的时间为 t＝t1＋t2＝1.5 s．(1 分)
甲
乙
(2)第一过程痕迹长 Δx1＝v0t1－12a1t21＝5 m，(2 分)
物理模型——传送带模型中的动力学问题 1．模型特征 一个物体以速度v0(v0≥0)在另一个匀速运动的物体上开始运动 的力学系统可看做“传送带”模型，如图甲、乙、丙所示．
2．建模指导 传送带模型问题包括水平传送带问题和倾斜传送带问题． (1)水平传送带问题：求解的关键在于对物体所受的摩擦力进 行正确的分析判断．根据物体与传送带的相对速度方向判断 摩擦力方向．两者速度相等是摩擦力突变的临界条件． (2)倾斜传送带问题：求解的关键在于认真分析物体与传送带 的相对运动情况，从而确定其是否受到滑动摩擦力作用．如 果受到滑动摩擦力作用应进一步确定其大小和方向，然后根 据物体的受力情况确定物体的运动情况．当物体速度与传送 带速度相等时，物体所受的摩擦力有可能发生突变．
物理模型——两种运动的合成与分解实例 一、小船渡河模型 1．模型特点 两个分运动和合运动都是匀速直线运动，其中一个分运动的 速度大小、方向都不变，另一分运动的速度大小不变，研究 其速度方向不同时对合运动的影响．这样的运动系统可看做 小船渡河模型．
2．模型分析 (1)船的实际运动是水流的运动和船相对静水的运动的合运动． (2)三种速度：v1(船在静水中的速度)、v2(水流速度)、v(船的实际 速度)． (3)两个极值
[审题点睛] (1)判断两者之间是否发生滑动，要比较两者之 间的摩擦力与最大静摩擦力的关系，若f＜fm，则不滑动，反 之则发生滑动． (2)两者发生相对滑动时，两者运动的位移都是对地的，注意 找位移与板长的关系．
轻杆 轻绳 轻弹簧模型
[解析] 本题考查轻绳、轻杆、轻弹簧力的方向及大
小的的受特力点特,点解,题以时小要球结为合研题究意对及象,小受球力处分于析重平如力衡图和状所弹态示簧, 弹力的 小簧向球的和受拉大四力小个、不力轻能的杆确作的定用作,重：用力重力、力,其弹、中簧轻轻的绳杆弹的的拉合作方力力用向、力方在轻的向弹一方恰条好直与线轻上绳
力二者的合力的大小为F＝ G2 F12 ＝一五 N
设F与竖直方向夹角为α, sin α＝F一/F＝三/五, 则α＝三七° 即方向与竖直方向成三七°角斜向下,这个力与 轻绳的拉力恰好在同一条直线上,根据物体平 衡的条件可知,轻杆对小球的作用力大小为五 N ,方向与竖直方向成三七°角斜向上,
轻杆的弹力与其他三个 力的合力等大反向
[建模启示]
[一]对于弹力方向的确定,一定要分清情景类 型及相关结论和规律尤其要注意结合物体 运动状态分析,
[二]轻杆对物体的弹力不一定沿杆,其具体方 向与物体所处的状态有关,一般应结合物体、 平衡或牛顿第三定律分析,
[三]轻弹簧产生的弹力只能沿弹簧的轴线方 向,与弹簧发生形变的方向相反,
三．作用效果特点
这是这两类模 型的显著区别
！
[一]轻绳只能提供拉力,
[二]轻杆、轻弹簧既可以提供拉力,又可以提 供推力,
四．大小突变特点
[一]轻杆、轻绳的弹力可以发生突变, [二]轻弹簧的弹力在大多数情况下不能发生
[一]轻杆：不可伸长和压缩,
[二]轻绳：柔软、不可伸长,绳上各处的张力 大小相等,
[三]轻弹簧：既可被拉伸,也可被压缩,弹簧 各处弹力大小均相等,
二．方向特点
轻杆上的弹力方向需要 通过平衡条件或牛顿第
二定律的确定
[一]轻杆产生的弹力不一定沿杆的方向,可以 是任意方向,
3轻杆、轻绳、轻弹簧模型
物理建模系列(一) 轻杆、轻绳、轻弹簧模型1．模型特点轻杆、轻绳、轻弹簧都是忽略质量的理想模型，与这三个模型相关的问题在高中物理中有相当重要的地位，且涉及的情景综合性较强，物理过程复杂，能很好地考查学生的综合轻杆 轻绳轻弹簧柔软，只能发生微小(1)轻杆、轻绳、轻弹簧都是忽略质量的理想化模型．(2)分析轻杆上的弹力时必须结合物体的运动状态．(3)讨论轻弹簧上的弹力时应指明弹簧处于伸长还是压缩状态．★1、如图所示，水平轻杆的一端固定在墙上，轻绳与竖直方向的夹角为37°，小球的重力为12N ，轻绳的拉力为10N ，水平轻弹簧的拉力为9N ，则轻杆对小球的作用力的大小及其方向与竖直方向夹角θ为(C )A ．12N 53°B ．6N 90°C ．5N 37°D ．1N 90°解析： 本题考查轻绳、轻杆、轻弹簧中力的方向及大小的特点，解题时要结合题意及小球处于平衡状态的受力特点．以小球为研究对象，受力分析如图所示，小球受四个力的作用：重力、轻绳的拉力、轻弹簧的拉力、轻杆的作用力，其中轻杆的作用力的方向和大小不能确定，重力、弹簧的弹力二者的合力的大小为F ＝G 2＋F 21＝15N设F 与竖直方向夹角为α，sin α＝F 1F ＝35，则α＝37°.所以杆对小球的作用力方向与F 2方向相同，大小为F 1－F 2＝5N ．故选项C 正确．计算弹力大小的三种方法(1)根据胡克定律进行求解．(2)根据力的平衡条件进行求解．(3)根据牛顿第二定律进行求解．4、(多选)如图所示，四个完全相同的弹簧都处于水平位置，它们的右端受到大小皆为F 的拉力作用，而左端的情况各不相同：①弹簧的左端固定在墙上；②弹簧的左端受大小也为F 的拉力作用；③弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的桌面上滑动．④弹簧的左端拴一小物块，物块在有摩擦的桌面上滑动．若认为弹簧质量都为零，用L1、L2、L3、L4依次表示四个弹簧的伸长量，则有(CD)A．L2＞L1B．L4＞L3C．L1＝L3D．L2＝L4解析：弹簧伸长量由弹簧的弹力(F弹)大小决定．由于弹簧质量不计，这四种情况下，F弹都等于弹簧右端拉力F，因而弹簧伸长量均相同，故选项C、D正确．答案：。
力学中常见的三种模型--对“轻杆、轻绳、轻弹簧”理解与应用
【 中图分类号】 Ｇ ６ ３ ３ ． ８
【 文献标识码 】 Ａ
【 文章编号】 ２ ０ ９ ５ — ３ ０ ８ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ １ ６ ０ — ０ ２
半径方 向的速度对应 的能量 转换成 绳的 内 能， 即此 极短 时间 内机械 能 不 守恒 ： 高中阶段 只考虑拉伸形 变， 绳上的弹力表现 从 Ｂ至 ｃ， 由机 械 能 守恒 ：
。
Ｖ
辩 璺 图３
２ ． 轻绳的形变 为拉 力 ． 方 向在 绳 上 并指 向绳 子收 缩 的方 向 。 ｍ ｇ Ｌ（ １ 一 ｓ ｉ ｎ ０ ） ：÷ ｍ ｖ 一÷ ｍ ３ ． 轻弹簧的形 变 高中阶段只考虑压缩与拉伸 两种情况， 弹 力表现为拉力或压力， 其大小根据胡克定律求解 。 （ 其中 ｖ Ｂ ＝ ｖ Ｂ ｃ ｏ ｓ ０ ）
二 二
Байду номын сангаас
二、 弹 力作 用效 果与 实 际应 用 １ ． 轻 绳 上 的弹 力 变化 具 有 瞬时性 （ 突变 ） 例 ２ ： 如图４ ， 物体 的 质 量 为 ｉ ｎ ． 由 两 绳 系住 处 于静 止 状 态 ，
‘ ．
Ｖ ｃ ＝ 、 ／ ２ ｇ Ｌ （ １ 一 ｓ ｉ ｎ ０ ） ＋
一
、
图４
２ ． 轻弹簧上的弹力变化具有缓慢性 （ 不 突变） 瞬 间 ，当引起 弹 簧形 变的原 因变化 后 ，弹簧
上的 弹 力不 可 能马 上恢 复 形 变 ．导 致 弹 力的 变化 有一 时 间过程 。 例３ ：将 例 ２中的 Ｂ Ｏ 绳 换成 轻 弹簧 ．剪 断 动。 Ｏ Ａ绳瞬间． 求 绳上 的拉 力 大 小。 解析 ： 剪 断 绳 ＯＡ 的 ， 物体 受 两个 力 作 用 ， 重力不变， 拉 力 来 解析 ： （ １ ） 小 车 匀速 运动 ， 小球 受合 力 为零 ， 所 以 小球 受 弹 力 不及 变化 ， 所 以 ＢＯ 绳上 的拉 力仍 为 １ ＂ １ ２ ｇ ／ ｃ ｏ ｓ ｅ 。 与重 力等 大 、 反 向。 ３ ． 轻 绳 发 生形 变时可 能伴 随 着的 能 量 的 变化 （ ２ ） 小球也 向右匀加速运动， 根据牛顿第二定律 ， 小球的弹力 应随加速度大小有多种情况 ， 如图所示（ 只显示两种情况） 。 例 ４ ： 如图 ６ ， 轻绳 长 Ｌ ， 一 端 可 绕 。 转 动． 另 一端 系一质 量 为 ｍ 的 小球 ， 起 初将 绳 绷
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物理建模轻杆轻绳轻弹
簧模型
集团文件发布号：（9816-UATWW-MWUB-WUNN-INNUL-DQQTY-
物理建模 1.轻杆、轻绳、轻弹簧模型
模型阐述
轻杆、轻绳、轻弹簧都是忽略质量的理想模型，与这三个模型相关的问题在高中物理中有相当重要的地位，且涉及的情景综合性较强，物理过程复杂，能很好地考查学生的综合分析能力，是高考的常考问题.
O点受杆的作用力的方向．(O为结点)
图2－1－8
【典例2】一轻弹簧两端分别连接物体a、b，在水平力作用下共同向右做匀加速运动，如图2－1－9所示，在水平面上时，力为F1，弹簧长为L1，在斜面上时，力为F2，弹簧长为L2，已知a、b两物体与接触面间的动摩擦因数相同，则轻弹簧的原长为( )．
图2－1－9
A.L1＋L2
2
B.
F1L1－F2L2
F2－F1
C.F2L1－F1L2
F2－F1
D.
F2L1＋F1L2
F2＋F1
即学即练(2013·石家庄质检，18)如图2－1－10所示，一个“Y”形弹弓顶部跨度为L，两根相同的橡皮条自由长度均为L，在两橡皮条的末端用一块软羊皮(长度不计)做成裹片．若橡皮条的弹力与形变量的关系满足胡克定律，且劲度系数为k，发射弹丸时每根橡皮条的最大长度为2L(弹性限度内)，则发射过程中裹片对弹丸的最大作用力为( )．
图2－1－10
A．kL B．2kL C.
3
2
kL
D.15
2
kL
附：对应高考题组(PPT课件文本，见教师用书)
1．(2010·新课标全国卷，15)一根轻质弹簧一端固定，用大小为F1
的力压弹簧的另一端，平衡时长度为l1；改用大小为F2的力拉弹簧，平衡时长度为l2.弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内，该弹簧的劲度系数为( )．
A.F2－F1
l2－l1
B.
F2＋F1
l2＋l1
C.F2＋F1
l2－l1
D.
F2－F1
l2＋l1
2．(2011·山东卷，19)如图所示，将两相同的木块a、b置于粗糙的水平地面上，中间用一轻弹簧连接，两侧用细绳系于墙壁．开始时a、b均静止，弹簧处于伸长状态，两细绳均有拉力，a所受摩擦力F f a≠0，b所受摩擦力F f b＝0.现将右侧细绳剪断，则剪断瞬间( )．A．F f a大小不变B．F f a方向改变
C．F f b仍然为零D．F f b方向向右
3．(2012·山东基本能力，85)力是物体间的相互作用，下列有关力的图示及表述正确的是( )．
物理建模 1.轻杆、轻绳、轻弹簧模型
模型阐述
轻杆、轻绳、轻弹簧都是忽略质量的理想模型，与这三个模型相关的问题在高中物理中有相当重要的地位，且涉及的情景综合性较强，物理过程复杂，能很好地考查学生的综合分析能力，是高考的常考问题.
自由杆和固定杆中的弹力方向
O点受杆的作用力的方向．(O为结点)
图2－1－8
解析甲为自由杆，受力一定沿杆方向，如下图甲所示的F N1.乙为固定杆，受力由O点所处状态决定，此时受力平衡，由平衡条件知杆的支持力F N2的方向与mg和F1的合力方向相反，如下图乙所示．答案如解析图所示
【典例2】一轻弹簧两端分别连接物体a、b，在水平力作用下共同向右做匀加速运动，如图2－1－9所示，在水平面上时，力为F1，弹簧长为L1，在斜面上时，力为F2，弹簧长为L2，已知a、b两物体与接触面间的动摩擦因数相同，则轻弹簧的原长为( )．
图2－1－9
A.L1＋L2
2
B.
F1L1－F2L2
F2－F1
C.F2L1－F1L2
F2－F1
D.
F2L1＋F1L2
F2＋F1
解析设物体a、b的质量分别为m1、m2，与接触面间的动摩擦因数为μ，弹簧原长为L0，在水平面上时，以整体为研究对象有F1－μ(m1＋m2)g＝(m1＋m2)a，①
隔离a物体有k(L1－L0)－μm1g＝m1a，②
联立解得k(L1－L0)＝
m1
m1＋m2
F1，③
同理可得k(L2－L0)＝
m1
m1＋m2
F2，④
联立③④可得轻弹簧的原长为L0＝F2L1－F1L2
F2－F1
，C对．
答案C
反思总结如何理解理想化模型——“轻弹簧”与“橡皮筋”
(1)弹簧与橡皮筋产生的弹力遵循胡克定律F＝kx，x是指形变量．
(2)“轻”即指弹簧(或橡皮筋)的重力不计，所以同一弹簧的两端及中间各点的弹力大小相等．
(3)弹簧既能受拉力，也能受压力(沿弹簧轴线)，分析弹簧问题时一定要特别注意这一点，而橡皮筋只能受拉力作用．
(4)弹簧和橡皮筋中的弹力均不能突变，但当将弹簧(或橡皮筋)剪断时，其弹力立即消失．
即学即练(2013·石家庄质检，18)如图2－1－10所示，一个“Y”形弹弓顶部跨度为L，两根相同的橡皮条自由长度均为L，在两橡皮条的末端用一块软羊皮(长度不计)做成裹片．若橡皮条的弹力与形变量的关系满足胡克定律，且劲度系数为k，发射弹丸时每根橡皮条的最大长度为2L(弹性限度内)，则发射过程中裹片对弹丸的最大作用力为( )．
图2－1－10
A．kL B．2kL C.
3
2
kL
D.
15
2
kL
解析对裹片受力分析，由相似三角形可得：
kL
2L
＝
F
2
2L2－
⎝
⎛
⎭
⎪
⎫L
2
2
得：F＝
15
2
kL
则裹片对弹丸的最大作用力为F丸＝F＝15
2
kL，故选项D正确．
答案D
附：对应高考题组(PPT课件文本，见教师用书)
1．(2010·新课标全国卷，15)一根轻质弹簧一端固定，用大小为F1的力压弹簧的另一端，平衡时长度为l1；改用大小为F2的力拉弹簧，平衡时长度为l2.弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内，该弹簧的劲度系数为( )．
A.F2－F1
l2－l1
B.
F2＋F1
l2＋l1
C.F2＋F1
l2－l1
D.
F2－F1
l2＋l1
解析设弹簧原长为l，由题意知，F1＝k(l－l1)，
F2＝k(l2－l)，两式联立，得k＝F2＋F1
l2－l1
，选项C正确．
答案C
2．(2011·山东卷，19)如图所示，将两相同的木块a、b置于粗糙的水平地面上，中间用一轻弹簧连接，两侧用细绳系于墙壁．开始时a、b均静止，弹簧处于伸长状态，两细绳均有拉力，a所受摩擦力F f a≠0，b所受摩擦力F f b＝0.现将右侧细绳剪断，则剪断瞬间( )．A．F f a大小不变B．F f a方向改变
C．F f b仍然为零D．F f b方向向右
解析剪断右侧绳的瞬间，右侧细绳上拉力突变为零，而弹簧对两木块的拉力没有发生突变，与原来一样，所以b对地面有向左的运动趋势，受到静摩擦力F f b方向向右，C错误，D正确．剪断右侧绳的瞬间，木块a受到的各力都没有发生变化，A正确，B错误．
答案AD
3．(2012·山东基本能力，85)力是物体间的相互作用，下列有关力的图示及表述正确的是( )．
解析由于在不同纬度处重力加速度g不同，旅客所受重力不同，故对飞机的压力不同，A错误．充足气的篮球平衡时，篮球壳对内部气体有压力作用，即内外气体对篮球壳压力的差值等于篮球壳对内部气体的压力，故B正确．书对桌子的压力作用在桌子上，箭尾应位于桌面上，故C错误．平地上匀速行驶的汽车，其主动轮受到地面的摩擦力是其前进的动力，地面对其从动轮的摩擦力是阻力，汽车受到的动力与阻力平衡时才能匀速前进，故D正确．
答案BD。