平衡状态:物体保持匀速直线运动或静止的状态,是加速度等于零的状态。
共点力作用下物体的平衡条件:物体所受的合外力为零,即∑F=0或∑=0,∑
=0
平衡条件的推论:
1、物体在多个共点力作用下处于平衡状态,则其中的一个力与其余的力的合力等大反向。
2、物体在同一平面内的三个不平行的力作用下,处于平衡状态,这三个力必为共点力。或作用线的延长线或反向延长线必交于同一点。
3、物体在三个共点力作用下处于平衡状态时,这三个力的有向线段必构成闭合三角形。
一、合成法或分解法
例1、如图所示,将一根不能伸长的柔软轻绳的两端分别系于A、B两点上,用动滑轮将一物体悬挂在绳子上,当物体达到平衡时,两段绳子间的夹角为,绳子张力为F1;将绳子B端移至C点,待整个系统达到平衡时,两段绳子间的夹角为
,绳子张力为F2;将绳子B端移至D点,待整个系统达到平衡时,两段绳子间的夹角为
,绳子张力为F3。已知A、C、D三点在同一水平直线上,不计绳与滑轮间的摩擦,则 ( )
A、=
=
B、=
<
C、F1 = F2 = F3
D、F1 = F2< F3
解析:设绳的总长为L,A、C的间距为d,A、D的间距为,A、O的间距为L 1,则:在B点时,
,所以
;同理,当在C点时有
,在D点有
。从图中可以看出
>d,所以有
=
<
;又因是动滑轮,绳子张力处处相等,合力一定时两绳的夹角越大,张力也越大,所以F1 = F2< F3综上所述,选项B、D正确
总结:(1)当物体只受三个力作用而处于平衡时,此三力必共面共点,将其中的任意两个力合成,合力必定与第三个力大小相等,方向相反;将其中某一个力(一般为已知力)沿另外两个力的反方向进行分解,两个分力的大小与另两个力的大小相等。在利用力的平行四边形定则解答物体的平衡问题时,若所作平行四边形中包含有直角三角形,一般用三角函数知识求解,也可用正弦定理和余弦定理求解(高考不作要求);若平行四边形为菱形,可作另一条对角线为辅助线,由于菱形的两条对角线相互垂直平分,可将菱形转化为一般直角三角形;若观察分析发现所作力的三角形与几何三角形相似,则可利用“相似三角形对应边成比例”的性质求解。总之,对于三力平衡问题,解法灵活,可以利用合成法、图解法或正交分解法等方法解题
(2)同一根轻绳各处的拉力大小都相等,“滑环”、“滑轮”各处的拉力大小依然相等;而“结点”则把绳子分成两段,拉力的大小一般不相等。
(3)解答本题时,要设法通过力的方向所确定的角度去建立给定的几何量(如绳长)之间的关系。
二、整体法和隔离法
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例2、如图所示,轻绳的两端分别系在圆环A和小球B上,圆环A套在粗糙的水平直杆MN上,现用水平力F拉着绳子上的一点O,使小球B从图示实线位置缓慢上升到虚线位置,但圆环A始终保持在原位置不动,则在这一过程中,环对杆的摩擦力和环对杆的压力
的变化情况是
A、不变,
不变
B、增大,
不变
C、增大,
减小
D、不变,
减小
解析:以O点为研究对象,小球受重力mg(OB段绳子的拉力大小等于物体的重力)、绳子拉力和水平外力F,用分解法分别作出初态和末态受力示意图如图所示,由图可知,水平拉力变大。
以环和结点整体作为研究对象,其受力示意图如图所示,由系统平衡可知:
故随F变大,
保持不变。由牛顿第三定律可知,环对杆的摩擦力
=
将变大;环对杆的压力
=
,保持不变,选项B正确。
总结:(1)本题考查综合应用图解法、整体法分析准静态过程中连接体受力的变化情况。在应用图解法分析问题时,应注意物体在状态变化时,哪个方向的力变化,其方向是怎样变化的,以保证作图正确。本题也可用隔离法分析O点的受力情况,从而得出结论,但没有用整体法简单直接。
(2)在研究系统平衡问题时,应灵活运用隔离法和整体法处理问题。若物理情境中涉及到分析判断物体间的相互作用,则应考虑用隔离法处理问题;若不考虑物体间的相互作用力而只需要考虑系统整体受力情况时,则优先考虑用整体法。
(3)对物体进行受力分析时应注意以下几点:①分析周围哪些物体对它施加了力的作用,可以按先场力(重力等),后接触力(弹力、摩擦力)的顺序,以防止因受力图中没有场力的施力物体而漏掉场力,并注意每一个力都确定能找到施力物体,以防止“添力”。②分析性质力时不要再重复分析效果力;已经考虑了分力时不要重复分析合力;只分析受到的力,不分析对外界施加的力。③弄清每一个力的方向,如:绳的弹力方向沿绳,面接触的弹力方向与接触面垂直,摩擦力的方向一定沿接触面,对于方向不确定的力,可先假定一个方向,最后根据计算结果的正负确定力的方向。
三、正交分解法
例3、一个底面粗糙、质量为M的劈放在水平面上,劈的斜面光滑且与水平面成30°角,用一端固定的轻绳系一质量为m的小球,小球放在斜面上,轻绳与竖直面的夹角为30°,如图所示,当劈静止时绳子的张力T是多少?若地面对劈的最大静摩擦力为地面对劈的支持力的k倍,为使整个系统静止,则k值不能小于多少?
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解析:以小球为研究对象,沿平行斜面和垂直斜面的方向建立直角坐标系,其受力情况如图所示。对T和mg进行正交分解,由物体的平衡条件得:
所以
再以劈和小球整体为研究对象,沿水平方向和竖直方向建立坐标系,整体受力情况如图所示,将T正交分解后,设地与劈间的最大静摩擦力为,由物体的平衡条件有:
且
解得:
总结:正交分解法是解决平衡问题最常用的方法,多用于三个以上共点力作用下的物体的平衡,应用时要注意:x轴和y轴的方位可以任意选择,不会影响研究的结果,但方位选择要合理,应尽可能使落在x、y轴上的力最多,并且使被分解的力尽可能是已知力,这样,解题才会较为简便。
四、相似三角形法
例4、表面光滑、半径为R的半球固定在水平地面上,球心O的正上方处有一无摩擦定滑轮,轻质细绳两端各系一个小球挂在定滑轮上,如图所示,两小球平衡时,若滑轮两侧细绳的长度分别为L1=2.4R和L 2=2.5
R,则这两个小球的质量之比
为(不计球的大小)
A、2 4︰1
B、2 5︰1
C、2 4︰2 5
D、2 5︰2 4
解析:对小球2进行受力分析,如图所示,显然△与△
相似。设
=H,由相似三角形性质有
,则
同理可得
而
于是
故选项D正确
总结:本题解题的关键在于利用了力的三角形与几何三角形的相似。相似三角形法,通常寻找的是一个力的矢量三角形与一个几何三角形相似,这一方法也仅能处理三个力的平衡问题,当然,本题也可以使用正交分解法来求解,但是比较繁琐。
五、图解法
例5、如图所示,小球用细绳系住放在倾角为θ的光滑斜面上,当细绳由水平方向逐渐向上偏移时,细绳上的拉力将
A、逐渐增大
B、逐渐减小
C、先增大后减小
D、先减小后增大
解析:作出小球受力的示意图如左图所示,因为G、、
三力共点且平衡,故三个力可以构成一个矢量三角形,右图中G的大小和方向是始终不变的;
的方向也不变,大小可变;
的大小、方向都在变。在绳向上偏移的过程中,显而易见,在
变化到与
垂直前,
是逐渐变小的,然后
又逐渐变大,故选项D正确。同时可看出,斜面对小球的支持力
是逐渐变小的。应用此方法可解决许多相关的动态平衡问题
总结:在分析三力动态平衡问题时,通过画出几个特殊状态的力进行对比分析,把三个平衡力转化成三角形的三条边,然后通过这个三角形求解各力的大小及变化,使动态问题静态化,使问题易于分析处理。
(1)利用图解法的关键是把力的矢量三角形画好,并根据题意条件的变化确定图的变化趋向及其变化的临界状态。
(2)要熟练把握几种常见的动态变化中最大或最小的状态。
①当已知合力F的方向和大小及一个分力F1的方向时,另一个分力F2最小的条件是所求分力F2与分力F1垂直,如左图所示,最小的力
②当已知合力F的方向及一个分力F1的大小和方向时,另一个分力F2最小的条件是所求分力F2与合力F垂直,如右图所示,最小的力
③当已知合力F的方向及一个分力F 1的大小时,另一个分力F2最小的条件是已知大小的分力F1与合力F方向相同,最小的力