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文檔簡介
4力的合成和分解知識點一合力與分力的概念(1)當一個物體受到幾個力共同作用時,如果一個力的作用效果跟這幾個力的共同作用效果相同,這一個力叫做那幾個力的合力,那幾個力叫做這個力的分力.(2)合力與分力的關(guān)系:等效替代關(guān)系.曹沖稱象的故事大家都很熟悉,在船的吃水線相同的情況下,一只大象的重力與一堆石頭的重力相等.這就是等效替代思想應(yīng)用的一個很生動的例子.請你再舉出日常生活中有關(guān)力的等效替代的例子,體會合力與分力是什么關(guān)系.提示:一桶水可以由一個成年人單獨提起,也可以由兩個小孩共同提起.兩個小孩對水桶的作用力與一個成年人對水桶的作用力相當,分力與合力是等效替代關(guān)系.知識點二力的合成(1)力的合成:求幾個力的合力的過程.(2)兩個力的合成:①遵循法則—平行四邊形定則.②方法:以表示這兩個力的線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個鄰邊之間的對角線表示合力的大小和方向.(3)兩個以上的力的合成方法:先求出任意兩個力的合力,再求出這個合力與第三個力的合力,直到把所有的力都合成進去,最后得到的結(jié)果就是這些力的合力.如圖所示,兩個人共同用力將一個牌匾拉上墻頭.其中一人用了450N的拉力,另一人用了600N的拉力,如果這兩個人所用拉力的夾角是90°,求它們的合力大?。馕觯涸O(shè)F1=450N,F(xiàn)2=600N,合力為F.由于F1與F2間的夾角為90°,根據(jù)勾股定理得F=eq\r(4502+6002)N=750N.答案:750N知識點三力的分解(1)定義:求一個已知力的分力.(2)力的分解原則:力的分解是力的合成的逆運算,同樣遵守平行四邊形定則.(3)力的分解依據(jù):①一個力可以分解為兩個力,如果沒有限制,同一個力可以分解為無數(shù)個大小、方向不同的分力(如圖所示).②在實際問題中,要依據(jù)力的實際情況分解.如圖所示,取一根細線,將細線的一端系在左手中指上,另一端系上一個重物.用一支鉛筆的一端頂在細線上的某一點,使鉛筆保持水平,鉛筆的另一端置于手掌心,細線的下段豎直向下.重物豎直向下拉細線的力產(chǎn)生什么作用效果?提示:重物豎直向下拉細線的力會產(chǎn)生兩個效果:沿著上邊斜線方向斜向下拉緊細線;沿著鉛筆方向向左壓緊鉛筆.知識點四矢量相加的法則(1)矢量:既有大小,又有方向,合成時遵守平行四邊形定則或三角形定則的物理量.(2)標量:只有大小,沒有方向,求和時按照算術(shù)法則相加的物理量.(3)三角形定則:把兩個矢量首尾相接,從第一個矢量的始端指向第二個矢量的末端的有向線段就表示合矢量的大小和方向.三角形定則和平行四邊形定則的實質(zhì)是一樣的.如圖所示,某物體受到大小分別為F1、F2、F3的三個共點力作用,表示這三個力的矢量恰好圍成一個封閉三角形,下列四個圖中能使該物體所受合力為零的是(C)考點一合力與分力的關(guān)系合力與分力的三性【例1】(多選)下列關(guān)于合力與分力的說法中,正確的是()A.合力與分力同時作用在物體上B.分力同時作用于物體時共同產(chǎn)生的效果與合力單獨作用時產(chǎn)生的效果是相同的C.合力可能大于分力,也可能小于分力D.當兩分力大小不變時,增大兩分力間的夾角,則合力一定減小【審題指導(dǎo)】解答本題時要明確以下兩點:(1)合力與分力作用效果相同,而且是針對同一物體而言的;(2)合力與分力遵循平行四邊形定則.【解析】合力與分力的作用效果相同,它們并不是同時作用在物體上,選項A錯誤,B正確;當兩分力大小不變時,由平行四邊形定則可知,分力間的夾角越大,合力越小,合力可能大于分力(如兩分力間的夾角為銳角時),也可能小于分力(如兩分力間的夾角為鈍角時),選項C、D正確.【答案】BCD總結(jié)提能1.合力與分力是等效替代關(guān)系,若兩者分別作用在同一個物體上時,其作用效果相同,并不是指物體同時受到合力和分力的作用.2.合力與分力的大小關(guān)系可利用平行四邊形定則畫出示意圖分析.其大小關(guān)系為:合力的大小可能大于每個分力,也可能小于每個分力,還可以與某個分力相等.(多選)關(guān)于F1、F2及它們的合力F,下列說法中正確的是(AC)A.合力F一定與F1、F2共同作用產(chǎn)生的效果相同B.兩力F1、F2一定是同種性質(zhì)的力C.兩力F1、F2一定是同一個物體受到的力D.兩力F1、F2與F是物體同時受到的三個力解析:只有同一物體受到的力才能合成,分別作用在不同物體上的力不能合成.合力是對原來幾個分力的等效替代,兩力可以是不同性質(zhì)的力,但合力與分力不能同時存在.所以,正確選項為A、C.考點二力的合成方法(1)圖解法用力的圖示,通過作圖解決問題的方法.要求是要選擇統(tǒng)一標度,嚴格作出力的圖示及平行四邊形,用統(tǒng)一標度去度量作出的平行四邊形的對角線,求出合力的大小,再量出對角線與某一分力的夾角,求出合力的方向.應(yīng)注意以下四點:①分力、合力的作用點相同,切忌弄錯了表示合力的對角線;②分力、合力的標度要一致,力的標度要適當;③虛線、實線要分清,表示分力和合力的兩條鄰邊和對角線畫實線,并加上箭頭,平行四邊形的另兩條邊畫虛線,不加箭頭;④求合力時既要求出合力的大小,還要求出合力的方向,不要忘了用量角器量出合力與某一分力間的夾角.如:力F1=45N,方向水平向右,力F2=60N,方向豎直向上,求這兩個力的合力F的大小和方向.可選擇某一標度,例如用4mm長的線段表示15N的力,作出力的平行四邊形,如右圖所示,表示F1的線段長12mm,表示F2的線段長16mm.用刻度尺量得表示合力F的對角線長20mm,所以合力的大小F=15N×eq\f(20,4)=75N.用量角器量得合力F與力F1的夾角為53°.(2)計算法可以根據(jù)平行四邊形定則作出示意圖,然后根據(jù)幾何知識求解平行四邊形的對角線,即為合力.以下是合力計算的幾種特殊情況.①相互垂直的兩個力的合成如圖所示.由幾何知識得出,合力大小F=eq\r(F\o\al(2,1)+F\o\al(2,2)),合力方向與分力F1的夾角的正切值tanθ=eq\f(F2,F1).②夾角為θ的大小相同的兩個力的合成,如圖所示.由幾何知識得出,作出的平行四邊形為菱形,其對角線相互垂直且平分,則合力大小F=2F1coseq\f(θ,2),方向與F1的夾角為eq\f(θ,2),即合力的方向在F1與F2的角平分線上.③更特殊的是夾角為120°的兩個等大的力的合成,如圖所示.由幾何知識得出,對角線將畫出的平行四邊形分為兩個等邊三角形,故合力的大小與分力等大,其方向在兩個分力的角平分線上.【例2】在電線桿的兩側(cè)常用鋼絲繩把它固定在地面上,如圖所示.如果鋼絲繩與地面的夾角均為60°,每條鋼絲繩的拉力都是300N,試用作圖法和計算法分別求出兩根鋼絲繩作用在電線桿上的合力.【審題指導(dǎo)】解答本題的基本思路如下:【解析】(1)作圖法.如圖甲所示,自O(shè)點引兩條有向線段OA和OB,相互間夾角為60°,設(shè)每單位長度代表100N,則OA和OB的長度都是3個單位長度,作出平行四邊形OACB,其對角線OC就表示兩個拉力F1、F2的合力F.量得OC長5.2個單位長度,故合力F=5.2×100N=520N.用量角器量得∠AOC=∠BOC=30°,所以合力方向豎直向下.(2)計算法.先作出力的平行四邊形如圖乙所示,由于兩個力F1、F2大小相等,故作出的平行四邊形是一個菱形.由幾何關(guān)系易得合力F=2F1cos30°=300eq\r(3)N≈520N,方向豎直向下.【答案】520N,方向豎直向下總結(jié)提能“作圖法”和“計算法”各有優(yōu)缺點,“作圖法”便于理解矢量的概念,形象直觀,但不夠精確,會出現(xiàn)誤差;“計算法”是先根據(jù)平行四邊形定則作出力的合成的示意圖,然后利用數(shù)學知識求出合力,作圖時,可通過添加輔助線得到一些特殊的三角形,如直角三角形、等邊三角形、等腰三角形等,這樣便于計算.物體受到兩個力F1和F2,F(xiàn)1=30N,方向水平向左;F2=40N,方向豎直向下,求這兩個力的合力F.解析:解法1(圖解法):取單位長度為10N的力,則分別取3個單位長度、取4個單位長度自O(shè)點引兩條互相垂直的有向線段OF1和OF2.以O(shè)F1和OF2為兩個鄰邊作平行四邊形,如圖所示,則對角線OF就是所要求的合力F.量出對角線的長度為5個單位長度,則合力的大小F=5×10N=50N,用量角器量出合力F與分力F1的夾角θ為53°.解法2(計算法,實際上是先運用數(shù)學知識,再回到物理情景):在上圖所示的平行四邊形中,△OF1F為直角三角形,根據(jù)直角三角形的幾何關(guān)系,可以求得斜邊OF的長度和OF與OF1的夾角θ,將其轉(zhuǎn)化為物理問題,就可以求出合力F的大小和方向,則F=eq\r(F\o\al(2,1)+F\o\al(2,2))=50N,tanθ=eq\f(F2,F1)=eq\f(4,3),θ為53°.答案:50N合力的方向與F1成53°角考點三實驗探究求合力的方法1.實驗原理使某個力F的作用效果與F1、F2的共同作用效果都是使橡皮條伸長到同一點,所以F為F1、F2的合力,作出F的圖示,再根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′的圖示,比較F、F′,分析在實驗誤差允許的范圍內(nèi)兩者是否大小相等、方向相同.2.探究過程(如下圖所示)(1)在水平放置的長木板上用圖釘固定一張白紙,在白紙上用圖釘固定一根橡皮條.(2)在橡皮條的另一端連接兩根帶繩套的細繩,用兩個彈簧測力計互成角度地拉橡皮條,記下結(jié)點的位置O、彈簧測力計的示數(shù)和方向,即兩個分力F1、F2的大小和方向.(3)只用一個彈簧測力計拉繩套,將結(jié)點拉到O點,記下此時拉力F的大小和方向.(4)選定標度,作出力F1、F2和F的圖示.(5)以F1、F2為鄰邊作平行四邊形,并作出對角線F′.(6)比較F與F′是否重合.實驗結(jié)論:在實驗誤差允許的范圍內(nèi),兩個力的合力為以這兩分力為鄰邊作出的平行四邊形的對角線.3.實驗注意事項(1)彈簧測力計在使用前應(yīng)將其水平放置,然后檢查、校正零點.將兩彈簧測力計互相鉤著水平拉伸,選擇兩只讀數(shù)完全一致的彈簧測力計使用.(2)施加拉力時要沿彈簧測力計軸線方向,應(yīng)盡量位于與紙面平行的同一平面內(nèi),以避免產(chǎn)生摩擦.(3)使用彈簧測力計測力時,拉力要適當?shù)卮笠恍?4)可在橡皮條端點上拴一條短細繩,再連接兩繩套,以三繩交點為結(jié)點,使結(jié)點小些,以便準確地記錄結(jié)點O的位置.(5)G點應(yīng)選在靠近木板上邊中點為宜,以使O點能確定在紙的上側(cè),結(jié)點O的定位要力求準確,同一次實驗中橡皮條拉長后的結(jié)點位置O必須保持不變.(6)在同一次實驗中,畫力的圖示所選定的標度要相同,并且要恰當選取標度,使所作力的圖示稍大一些.(7)在記錄結(jié)點位置O和輕繩的方向時,所用鉛筆的筆尖要細;在記錄輕繩方向時,不要直接沿輕繩方向畫直線,應(yīng)接近輕繩兩端(距離盡量大些)在白紙上畫兩個射影點(點盡量小,位置要準),去掉輕繩后再過這兩個射影點連直線,這樣畫出的力的方向誤差較小.【例3】某同學在學完“力的合成”后,想在家里做實驗驗證力的平行四邊形定則.他從學校的實驗室里借來兩個彈簧測力計,按如下步驟進行實驗.A.在墻上貼一張白紙用來記錄彈簧測力計彈力的大小和方向.B.在一個彈簧測力計的下端懸掛一裝滿水的水杯,記下靜止時彈簧測力計的讀數(shù)F.C.將一根大約30cm長的細線從杯帶中穿過,再將細線兩端分別拴在兩個彈簧測力計的掛鉤上.在靠近白紙?zhí)幱檬謱ΨQ地拉開細線,使兩個彈簧測力計的示數(shù)相等,在白紙上記下細線的方向,彈簧測力計的示數(shù)如圖甲所示.D.在白紙上按一定標度作出兩個彈簧測力計的彈力的圖示,如圖乙所示,根據(jù)力的平行四邊形定則可求出這兩個力的合力F′.(1)在步驟C中,彈簧測力計的讀數(shù)為________N.(2)在步驟D中,合力F′=________N.(3)若________,就可以驗證力的平行四邊形定則.【審題指導(dǎo)】本題考查“驗證力的平行四邊形定則”實驗,實驗原理還是來源于課本,只是改變了部分實驗器材、實驗步驟以及處理數(shù)據(jù)的方法,只要能深刻理解實驗原理,掌握處理此類實驗的基本方法,不難解答此題.【解析】(1)彈簧測力計讀數(shù)時需要估讀,最終的讀數(shù)要以有效數(shù)字的形式給出,根據(jù)題圖甲彈簧測力計指針的位置,可讀出力的大小為3.00N.(2)根據(jù)力的大小可以用線段的長度來表示,利用刻度尺和三角板在題圖乙上,由已知的兩個力作出平行四邊形,測量出兩力之間的對角線的長度,與標度為1N的長度進行比較,可求出F′的大小為(5.2±0.2)N.(3)若F′在豎直方向且數(shù)值與F近似相等,在實驗誤差允許的范圍內(nèi)可以驗證力的平行四邊形定則.【答案】(1)3.00(2)5.2±0.2(3)F′在豎直方向且數(shù)值與F近似相等總結(jié)提能實驗是每年高考中必考的內(nèi)容,但高考試題往往避開課本中固有的實驗?zāi)J?,另辟蹊徑,通過變通實驗裝置、操作方法,以達到驗證實驗的目的,考查學生靈活運用課本知識解決實際問題的能力.“變通”的實驗試題一般都很新穎、別致,試題中都能找出課本中實驗的“影子”,因此在平時的學習中應(yīng)重視“變通”實驗的訓(xùn)練.(多選)如圖所示,在“驗證力的平行四邊形定則”實驗中,需要將橡皮條的一端固定在水平木板上,另一端系上兩根細繩,細繩的另一端都有繩套.實驗中需用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套,并互成角度地拉橡皮條.某同學認為在此過程中必須注意以下幾項:A.兩根細繩必須等長B.橡皮條應(yīng)與兩繩夾角的平分線在同一直線上C.在使用彈簧測力計時,要注意彈簧測力計與木板平行D.在不超出彈性限度前提下,拉力應(yīng)適當大些其中正確的是CD.解析:細繩的作用是用來確定拉力方向的,不需要等長,A錯誤;只有兩彈簧測力計拉力相等時,其合力方向(橡皮條拉伸方向)才沿角平分線方向,B錯誤;為減小誤差,拉力方向應(yīng)與木板平行,C正確;在不超出彈性限度的前提下,拉力適當大些可減小誤差,D正確.考點四按效果分解力(1)按效果分解力,就是按照這個力產(chǎn)生的作用效果來分解力.(2)效果分解法的一般方法步驟:①根據(jù)物體(或結(jié)點)所處的狀態(tài)分析力的作用效果;②根據(jù)力的作用效果,確定兩個實際分力的方向;③根據(jù)兩個分力的方向畫出平行四邊形;④根據(jù)平行四邊形定則,利用學過的幾何知識求兩個分力的大小.也可根據(jù)數(shù)學知識用計算法.【例4】如圖所示,重力為G的光滑球在傾角為30°的斜面上,分別被與斜面夾角為60°、90°、150°的擋板擋住于1、2、3位置時,斜面與擋板所受的壓力分別為多大?【審題指導(dǎo)】確定光滑球重力的實際作用效果是解答本題的關(guān)鍵.【解析】如圖(a)所示,根據(jù)球的重力的作用效果是同時擠壓斜面和擋板,可確定重力的兩個分力的方向分別垂直于斜面和擋板.分解G得到其兩個分力的大小分別為G1=eq\f(G,cos30°)=eq\f(2\r(3),3)G,G2=Gtan30°=eq\f(\r(3),3)G由此可知,斜面與擋板所受的壓力大小分別為N1=eq\f(2\r(3),3)G,N2=eq\f(\r(3),3)G如圖(b)所示,同理得N1′=G1′=Gcos30°=eq\f(\r(3),2)G,N2′=G2′=Gsin30°=eq\f(G,2)如圖(c)所示,此時斜面不受壓力,擋板所受的壓力N2″的大小和方向與G相同,即N2″=G.【答案】見解析總結(jié)提能按力的實際作用效果分解力時,首先要確定力的作用效果,畫出兩個分力的方向,然后根據(jù)平行四邊形定則作圖,結(jié)合三角形的邊角關(guān)系求解.如圖所示,用三根輕繩將質(zhì)量為m的物體懸掛在空中,已知ac和bc與豎直方向的夾角分別為60°和30°,則繩ac和繩bc的拉力大小分別為多少?解析:以m為研究對象,由二力平衡知豎直繩上的拉力大小為mg.則豎直繩拉c點的力F=mg,F(xiàn)作用于c點有兩個作用效果,即拉緊繩ac和繩bc,故可將F沿ac和bc方向分解,求出繩ac和繩bc方向上的分力,也就求出了繩ac和繩bc的拉力.將F進行分解如圖所示,由三角形知識得F1=Fsin60°=eq\f(\r(3),2)mgF2=Fsin30°=eq\f(1,2)mg由二力平衡得繩ac的拉力Fac=F2=eq\f(1,2)mg繩bc的拉力Fbc=F1=eq\f(\r(3),2)mg.答案:eq\f(1,2)mgeq\f(\r(3),2)mg考點五力的正交分解1.概念把力在兩個互相垂直的方向上分解.如圖所示,將力F沿x軸和y軸兩個方向分解,則Fx=Fcosα,F(xiàn)y=Fsinα.2.正交分解的目的當物體受到多個力作用,并且這幾個力只共面不共線時,其合力用平行四邊形定則求解很不方便.為此,我們建立一個直角坐標系,將各力在兩條互相垂直的坐標軸上分解,分別求出兩條坐標軸上的合力Fx和Fy,然后就可以由F=eq\r(F\o\al(2,x)+F\o\al(2,y))求合力了.所以,采用力的正交分解法的目的是通過先分解的方法求合力.3.正交分解法求合力的步驟(1)建立坐標系:以共點力的作用點為坐標原點建立直角坐標系,其中x軸和y軸的選擇應(yīng)使盡量多的力處在坐標軸上.(2)正交分解各力:將每一個不在坐標軸上的力分解到x軸和y軸上,并求出各分力的大小,如圖所示.(3)分別求出x軸、y軸上各分力的合力,即Fx=F1x+F2x+F3x,F(xiàn)y=F1y+F2y+F3y.(4)合力大小F=eq\r(F\o\al(2,x)+F\o\al(2,y)),設(shè)合力的方向與x軸的夾角為α,則tanα=eq\f(Fy,Fx).4.正交分解法的優(yōu)點(1)借助數(shù)學中的直角坐標系對力進行描述.(2)幾何圖形是直角三角形,關(guān)系簡單,計算簡便.(3)分解多個力時,可將矢量運算化為代數(shù)運算.【例5】在同一平面內(nèi)共點的四個力F1、F2、F3、F4的大小依次為19N、40N、30N和15N,方向如圖所示,求它們的合力.【審題指導(dǎo)】eq\x(建立坐標系)→eq\x(\a\al(把各力分解,到坐標軸上))→eq\x(\a\al(分別計算各坐,標軸上的合力))→eq\x(\a\al(求解總,的合力))【解析】如圖(a)建立直角坐標系,把各個力分解在兩個坐標軸上,并求出x軸和y軸上的合力Fx和Fy,有Fx=F1+F2cos37°-F3cos37°=27N,F(xiàn)y=F2sin37°+F3sin37°-F4=27N,因此,如圖(b)所示,合力F=eq\r(F\o\al(2,x)+F\o\al(2,y))≈38.2N,tanφ=eq\f(Fy,Fx)=1.即合力的大小約為38.2N,方向與F1夾角為45°,斜向右上方.【答案】見解析總結(jié)提能正交分解中,坐標軸的選取方法:(1)研究水平面上的物體時,通常沿水平方向和豎直方向建立坐標軸.(2)研究斜面上的物體時,通常沿斜面方向和垂直斜面方向建立坐標軸.(3)研究物體在桿或繩的作用下轉(zhuǎn)動時,通常沿桿(或繩)方向和垂直桿(或繩)的方向建立坐標軸.如圖所示,三個力作用于同一點O點,大小分別為F1=10N,F(xiàn)2=20N,F(xiàn)3=30N,且F1與F3夾角為120°,F(xiàn)2與F3夾角為150°,求三個力的合力.解析:以O(shè)點為原點,F(xiàn)3為y軸負方向建立直角坐標系,如圖甲所示,則F1與x軸夾角為30°,F(xiàn)2與x軸的夾角為60°.分別把各個力分解到兩個坐標軸上,F(xiàn)1x=F1cos30°,F(xiàn)1y=F1sin30°;F2x=-F2cos60°,F(xiàn)2y=F2sin60°;F3x=0,F(xiàn)3y=-F3.分別求出x軸和y軸上的合力.Fx合=F1x+F2x+F3x=5eq\r(3)N-10N≈-1.34N,F(xiàn)y合=F1y+F2y+F3y=10eq\r(3)N-25N≈-7.68N.計算x軸和y軸上的合力Fx合、Fy合的合力的大小和方向,即三個力的合力的大小和方向,如圖乙所示.合力的大?。篎合=eq\r(F\o\al(2,x合)+F\o\al(2,y合))≈7.8N,tanθ=eq\f(Fx合,Fy合)≈0.174.查表得合力方向為F3向左10°.答案:7.8N方向向左與F3成10°夾角1.(多選)若兩個力F1、F2的夾角為α(90°<α<180°),且α保持不變,則(CD)A.一個力增大,合力一定增大B.兩個力都增大,合力一定增大C.兩個力都增大,合力可能減小D.兩個力都增大,合力可能不變解析:參照右圖分析:保持F1和F2的夾角α不變,當F2增至F2′時,F(xiàn)1和F2的合力F變?yōu)镕′,由圖象可直觀看出F>F′,即兩分力中一個力增大,合力不一定增大.同理可分析出:兩個力都增大,合力可能增大,可能減小,也可能不變,故C、D兩項正確.2.用輕質(zhì)細繩系住一小球,小球靜止在光滑斜面上,如圖所示,1為水平方向、2為沿斜面方向、3為沿繩方向、4為豎直方向、5為垂直斜面方向.若要按照力的實際作用效果來分解小球的重力,下列敘述中正確的是(C)A.將小球的重力沿1和5方向分解B.將小球的重力沿2和5方向分解C.將小球的重力沿3和5方向分解D.將小球的重力沿3和2方向分解解析:將力進行分解時,一般要按照力的實際作用效果來分解或按需要正交分解,若要按照力的實際作用效果來分解,要看力產(chǎn)生的實際效果.小球重力產(chǎn)生兩個效果,一是使繩子拉伸,二是使斜面受壓,故應(yīng)按此兩個方向分解,分別是3和5,選項C正確.3.(多選)如圖所示是李強同學設(shè)計的一個小實驗.他將細繩的一端系在手指上,繩的另一端系在直桿的A端,桿的左端頂在掌心上,組成一個“三角支架”.在桿的A端懸掛不同重物,并保持靜止.通過實驗會感受到(ACD)A.細繩是被拉伸的,桿是被壓縮的B.桿對手掌施加作用力的方向沿桿由C指向AC.細繩對手指施加作用力的方向沿繩由B指向AD.所掛重物質(zhì)量越大,細繩和桿對手的作用力也越大解析:本題考查實際情況中力的分
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