高一物理竞赛专用讲义分解

1高中物理《竞赛辅导》力学部分目录第一讲：力学中的三种力第二讲：共点力作用下物体的平衡第三讲：力矩、定轴转动物体的平衡条件、重心第四讲：一般物体的平衡、稳度第五讲：运动的基本概念、运动的合成与分解第六讲：相对运动与相关速度第七讲：匀变速直线运动第八讲：抛物的运动第九讲：牛顿运动定律（动力学）第十讲：力和直线运动第十一讲：质点的圆周运动、刚体的定轴转动第十二讲：力和曲线运动第十三讲：功和功率第十四讲：动能定理第十五讲：机械能、功能关系第十六讲：动量和冲量第十七讲：动量守恒《动量守恒》练习题第十八讲：碰撞《碰撞》专题练习题第十九讲：动量和能量《动量与能量》专题练习题第二十讲：机械振动《机械振动》专题练习第二十一：讲机械波第二十二讲：驻波和多普勒效应2第一讲：力学中的三种力【知识要点】（一）重力重力大小G=mg，方向竖直向下。一般来说，重力是万有引力的一个分力，静止在地球表面的物体，其万有引力的另一个分力充当物体随地球自转的向心力，但向心力极小。（二）弹力1．弹力产生在直接接触又发生非永久性形变的物体之间(或发生非永久性形变的物体一部分和另一部分之间)，两物体间的弹力的方向和接触面的法线方向平行，作用点在两物体的接触面上．2．弹力的方向确定要根据实际情况而定．3．弹力的大小一般情况下不能计算，只能根据平衡法或动力学方法求得．但弹簧弹力的大小可用．f=kx(k为弹簧劲度系数，x为弹簧的拉伸或压缩量)来计算．在高考中，弹簧弹力的计算往往是一根弹簧，而竞赛中经常扩展到弹簧组．例如：当劲度系数分别为k1,k2,…的若干个弹簧串联使用时．等效弹簧的劲度系数的倒数为：nkkk1...111，即弹簧变软；反之．若以上弹簧并联使用时，弹簧的劲度系数为：k=k1+…kn，即弹簧变硬．(k=k1+…kn适用于所有并联弹簧的原长相等；弹簧原长不相等时，应具体考虑)长为0L的弹簧的劲度系数为k，则剪去一半后，剩余20L的弹簧的劲度系数为2k（三）摩擦力1．摩擦力一个物体在另一物体表面有相对运动或相对运动趋势时，产生的阻碍物体相对运动或相对运动趋势的力叫摩擦力。方向沿接触面的切线且阻碍物体间相对运动或相对运动趋势。2．滑动摩擦力的大小由公式f=μN计算。3．静摩擦力的大小是可变化的，无特定计算式，一般根据物体运动性质和受力情况分析求解。其大小范围在0＜f≤fm之间，式中fm为最大静摩擦力，其值为fm=μsN，这里μs为最大静摩擦因数，一般情况下μs略大于μ，在没有特别指明的情况下可以认为μs=μ。4．摩擦角将摩擦力f和接触面对物体的正压力N合成一个力F，合力F称为全反力。在滑动摩擦情况下定义tgφ=μ=f/N，则角φ为滑动摩擦角；在静摩擦力达到临界状态时，定义tgφ0=μs=fm/N，则称φ0为静摩擦角。由于静摩擦力f0属于范围0＜f≤fm，故接触面作用于物体的全反力F同接触面法线的夹角NFFfmf0αφ3Nftg01≤φ0，这就是判断物体不发生滑动的条件。换句话说，只要全反力F的作用线落在（0，φ0）范围时，无穷大的力也不能推动木块，这种现象称为自锁。本节主要内容是力学中常见三种力的性质。在竞赛中以弹力和摩擦力尤为重要，且易出错。弹力和摩擦力都是被动力，其大小和方向是不确定的，总是随物体运动性质变化而变化。弹力中特别注意轻绳、轻杆及胡克弹力特点；摩擦力方向总是与物体发生相对运动或相对运动趋势方向相反。另外很重要的一点是关于摩擦角的概念，及由摩擦角表述的物体平衡条件在竞赛中应用很多，充分利用摩擦角及几何知识的关系是处理有摩擦力存在平衡问题的一种典型方法。【典型例题】【例题1】如图所示，一质量为m的小木块静止在滑动摩擦因数为μ=33的水平面上，用一个与水平方向成θ角度的力F拉着小木块做匀速直线运动，当θ角为多大时力F最小？【例题2】如图所示，有四块相同的滑块叠放起来置于水平桌面上，通过细绳和定滑轮相互联接起来.如果所有的接触面间的摩擦系数均为μ，每一滑块的质量均为m，不计滑轮的摩擦.那么要拉动最上面一块滑块至少需要多大的水平拉力?如果有n块这样的滑块叠放起来，那么要拉动最上面的滑块，至少需多大的拉力?【例题3】如图所示，一质量为m=1㎏的小物块P静止在倾角为θ=30°的斜面上，用平行于斜面底边的力F=5N推小物块，使小物块恰好在斜面上匀速运动，试求小物块与斜面间的滑动摩擦因数（g取10m/s2）。θFPθF4【练习】1、如图所示，C是水平地面，A、B是两个长方形物块，F是作用在物块B上沿水平方向的力，物块A和B以相同的速度作匀速直线运动，由此可知，A、B间的滑动摩擦因数μ1和B、C间滑动摩擦因数μ2有可能是：（）A、μ1=0，μ2=0；B、μ1=0，μ2≠0；C、μ1≠0，μ2=0；D、μ1≠0，μ2≠0；2、如图所示，水平面上固定着带孔的两个挡板，一平板穿过挡板的孔匀速向右运动，槽中间有一木块置于平板上，质量为m，已知木板左、右两侧面光滑，底面与平板之间摩擦因数为μ，当用力F沿槽方向匀速拉动物体时，拉力F与摩擦力μmg大小关系是（）A、F＞μmgB、F=μmgC、F＜μmgD、无法确定3、每根橡皮条长均为l=3m，劲度系数为k=100N/m，现将三根橡皮条首尾相连成如图所示的正三角形，并用同样大小的对称力拉它，现欲使橡皮条所围成的面积增大一倍，则拉力F应为多大？4、两本书A、B交叉叠放在一起，放在光滑水平桌面上，设每页书的质量为5克，两本书均为200页，纸与纸之间的摩擦因数为0.3，A固定不动，用水平力把B抽出来，求水平力F的最小值。ABFCFFFV0FABF55、（90国际奥赛题）（哥伦比亚）一个弹簧垫，如图所示，由成对的弹簧组成。所有的弹簧具有相同的劲度系数10N/m，一个重为100N的重物置于垫上致使该垫的表面位置下降了10cm，此弹簧垫共有多少根弹簧？（假设当重物放上后所有的弹簧均压缩相同的长度）。6、(第三届全国预赛)如图所示用力F推一放在水平地面上的木箱，质量为M，木箱与地面间摩擦因数为问：当力F与竖直成夹角多大时，力F再大也无法推动木箱?第二讲：共点力作用下物体的平衡（一）力的运算法则1、力的平行四边形定则：是所有矢量合成与分解所遵循的法则。2、力的三角形定则：两个矢量相加将两个力首尾相连，连接剩余的两个端点的线段表示合力的大小，合力的方向由第一个矢量的始端指向第二个矢量的末端（如图1-1-1所示）；两个矢量相减，将这两个力的始端平移在一起，连接剩余的两个端点的线段即为这两个力的差矢量的大小，差矢量的方向指向被减．．矢量（如图1-1-2所示）。（二）平行力的合成与分解同向平行力的合成：两个平行力FA和FB相距AB，则合力ΣF的大小为FA+FB，作用点C满足FA×AC=FB×BC的关系。ACBFAΣFFB图1-1-3ABCΣFFAFB图1-1-4F→F1→F2→F→F1→F2→图1-1-1图1-1-221FFF12FFF6反向平行力的合成：两个大小不同的反向平行力FA和FB（FA＞FB）相距AB，则合力ΣF的大小为FA－FB同向，作用点C满足FA×AC=FB×BC的关系。（三）共点力作用下物体平衡条件：这些力的合力为零，即ΣF=0。（四）三力汇交原理若一个物体受三个非平行力作用而处于平衡状态，则这三个力必为共点力。（五）受力分析1、受力分析的地位：物体的受力分析是高中物理中一个至关重要的知识,它贯穿高中物理的全过程，是学好力学知识的基础。2、受力分析的顺序：一重二弹三摩擦（四其它），要防多画、少画、错画。3、受力分析时常用方法：整体法、隔离法、假设法。4、受力分析时常用的计算工具：平行四边形定则、正交分解法、二力平衡、作用力与反作用力定律。本节内容重点是充分运用共点力平衡条件及推论分析和计算处于平衡态下物体受力问题，竞赛中还应掌握如下内容和方法：①力的矢量三角形法：物体受三个共点力作用而平衡时，这三力线相交，构成首尾相连封闭的三角形，问题化为解三角形，从而使问题得以简化；②摩擦平衡问题，由临界状态寻求突破口；③竞赛中物体受力由一维向二维或三维拓展，空间力系平衡问题转化为平面力系平衡问题求解。【例题1】如右图所示，匀质球质量为M、半径为R；匀质棒B质量为m、长度为l。求它的重心。【解】第一种方法是：将它分隔成球和棒两部分，然后用同向平行力合成的方法找出重心C。C在AB连线上，且AC·M=BC·m；第二种方法是：将棒锤看成一个对称的“哑铃”和一个质量为-M的球A的合成，用反向平行力合成的方法找出重心C，C在AB连线上，且BC·（2M+m）=CA·M。不难看出两种方法的结果都是mMlRMBC2。【例题2】如图所示，一轻绳跨过两个等高的轻定滑轮（不计大小和摩擦），两端分别挂上质量为m1=4kg和m2=2kg的物体，如图，在滑轮RABABCmgMg（M+m）gR+l/2ACBAC（2M+m）gMgΣF7间绳上悬挂物体m为了使三个物体能保持平衡，则m的取值范围多大？【例题3】如图所示，直角斜槽间夹角为90°，对水平面的夹角为θ，一横截面为正方形的物块恰能沿此槽匀速下滑。假定两槽面的材料和表面情况相同，试求物块与槽面间的滑动摩擦因数μ多大？【例题4】如图所示，三个相同的光滑圆柱体，半径为r，推放在光滑圆柱面内，试求下面两个圆柱体不致分开时，圆柱面的半径R应满足的条件。【练习】θ2θ1m1mm2θrR81、如图所示，长为L=5m的细绳两端分别系于竖直地面上相距X=4m的两杆的顶端A、B，绳上挂一光滑的轻质挂钩，下端连着一个重为G=12N的重物，平衡时绳中张力T等于多少牛顿？2、如图所示，小圆环重为G，固定的大环半径为R轻弹簧原长为l（l2R），其劲度系数为k，接触光滑，则小环静止时弹簧与竖直方向的夹角θ应为多大？3、如图所示，一轻杆两端固结两个小球A和B，A、B两球质量分别为4m和m，轻绳长为L，求平衡时OA、OB分别为多长？（不计绳与滑轮间摩擦）4、如图所示，n个完全相同的正方体木块一个紧挨一个排列成一条直线放在水平地面上，正方体木块与水平地面的滑动摩擦因数为μ，现用一水平力F推第一块木块，使这n块木块一起做匀速直线运动，则第k块木块对第k+1块木块的作用力为多大？4mgmgABOθABOCAB…F1234n95、如图所示，物体m在与斜面平行的拉力F作用下，沿斜面匀速上滑，在这过程中斜面在水平地面上保持静止。已知物体、斜面的质量分别为m、M，斜面倾角为θ，试求：（1）斜面所受地面的支持力；（2）斜面所受地面的摩擦力。第三讲：力矩、定轴转动物体的平衡条件、重心【知识要点】（一）力臂：从转动轴到力的作用线的垂直距离叫力臂。（二）力矩：力和力臂的乘积叫力对转动轴的力矩。记为M=FL，单位“牛·米”。一般规定逆时针方向转动为正方向，顺时针方向转动为负方向。（三）有固定转轴物体的平衡条件作用在物体上各力对转轴的力矩的代数和为零或逆时针方向力矩总是与顺时针方向力矩相等。即ΣM=0，或ΣM逆=ΣM顺。（四）重心：物体所受重力的作用点叫重心。计算重心位置的方法：1、同向平行力的合成法：各分力对合力作用点合力矩为零，则合力作用点为重心。2、割补法：把几何形状不规则的质量分布均匀的物体分割或填补成形状规则的物体，再由同向（或反向）平行力合成法求重心位置。（见上一讲）3、公式法：如图所示，在平面直角坐标系中，质量为m1和m2的A、B两质点坐标分别为A（x1，y1），B（x2，y2）则由两物体共同组成的整体的重心坐标为：212211mmxmxmxC212211mmymymyC一般情况下，较复杂集合体，可看成由多个质点组成的质点系，其重心C位置由如下公式求得：ACBxyOy1y2yCx1x2xCmMFθ10iiiCmxmxiiiCmymyiiiCmzmz本节内容常用方法有：①巧选转轴简化方程：选择未知量多，又不需求解结果的力线交点为轴，这些力的力矩为零，式子简化得多；②复杂的物体系平衡问题有时巧选对象：选整体分析，常常转化为力矩平衡问题求解；③无规则形状的物体重