物体平衡问题的求解方法.doc

物体平衡问题的求解方法 物体平衡问题的求解方法 物体处于静止或匀速运动状态，称之为平衡状态。平衡状态下的物体是是物理中重要的模型，解平衡问题的基础是对物体进行受力分析。物体的平衡在物理学中有着广泛的应用，在高考中，直接出现或间接出现的概率非常大。本文结合近年来的高考试题探讨物体平衡问题的求解策略。 1整体法和隔离法 对于连接体的平衡问题，在不涉及物体间相互作用的内力时，应道德考虑整体法，其次再考虑隔离法。有时一道题目的求解要整体法、隔离法交叉运用。 例1  （1998年上海高考题）有一个直角支架aob，ao水平放置，表面粗糙，ob竖直向下，表面光滑，ao上套有小环p，ob上套有小环p，两环质量均为m，两环间由一根质量可忽略、不可伸长的细绳相连，并在某一位置平衡，如图1。现将p环向左移一小段距离，两环再次达到平衡，那么将移动后的平衡状态和原来的平衡状态比较，ao杆对p环的支持力n和细绳上的拉力t的变化情况是（  ） an不变，t变大    bn不变，t变小 cn变大，t变大    dn变大，t变小 解析  用整体法分析，支持力不变。再隔离q环，设pq与ob夹角为，则不，角变小，cos变大，从上式看出t将变小。故本题正确选项为b。 2正交分解法 物体受到3个或3个以上的力作用时，常用正交分解法列平衡方程，形式为，。为简化解题步骤，坐标系的建立应达到尽量少分解力的要求。 例2  （1997年全国高考题）如图2所示，重物的质量为m，轻细绳ao与bo的a端、b端是固定的，平衡时ao是水平的，bo与水平面夹角为，ao的拉力f1和bo的拉力f2的大小是（  ） a  b c  d 解析  选o点为研究对象，o点受3个力的作用。沿水平方向和竖直方向建立坐标系，如图3所示。由物体的平衡条件； 解得       因此选项bd正确。 3力的合成法 物体在受到3个共点力的作用下处于平衡状态，则任意2个力的合力必定与第3个力大小相等，方向相反。力的合成法是解决三力平衡的基本方法。 例3  上例中，根据三力平衡特点任意2个力的合力与第3个力等大反向，作出如图4所示和矢量图，由三角形知识可得   4力的三角形法 对受三力作用而平衡的物体，将力平移后，这3个力便组成一个首尾依次相接的封闭的力三角形。力三角形在处理静态平衡和动态平衡问题中时常用到。 例4  （1998年广东高考题）如图5细绳ao，bo等长，a点固定不动，在手持b点沿圆弧向c点缓慢运动过程中，绳bo的张力将（  ） a不断变大     b不断变小 c先变小再变大    d先变大再变小 解析  选o点为研究对象，o点受f、fa、fb三力作用而平衡。此三力构成一封闭的动态三角形如图6所示。很容易看出，当fb与fa垂直时，即时，fb取最小值。因此，选项c正确。 5拉密定理法 3个共点力平衡时，每一个力与其所对角的正弦成正比。如图7所示，有（证略） 例5  （2003年全国理综高考题）如图8所示，一个半球形的碗放在桌面上，碗口水平，o点为其球心，碗的内表面及碗口是光滑的。一根细线跨在碗口上，线的两端分别系有质量为和的小球，当它们处于平衡状态时，质量为的小球与o点的连线与水平面的夹角为。两小球的质量比为（  ） a    b    c    d 解析  选m1小球为研究对象，分析受力如图9所示，它受重力g、碗的支持力fn、线的拉车t（大小等于m2g）3个共点力作用而平衡。应用拉密定理，有 所以   故选项a正确。 6相似三角形法 物理上的矢量可用有向线段表示，矢量的合成与分解又遵守平行四边形法则或三角形法则，这样就构成了一个矢量三角形（平行四边形可分为两个三角形），如果能找到一个由已知量构成的三角形与之相似，那么“相似三角形的对应线段分别成比例”，这一知识就可用于处理物理问题。 例6  绳子一端拴着一小球，另一端绕在钉子上，小球放在一光滑的大半球上静止，如图10所示。由于某种原因，小球缓慢地沿球面向下移动，在此过程中，球面的支持力和绳子的拉力如何变化？ 解析  本题中小球缓慢移动能看成平衡状态。如图10所示，小球受到3个共点力g、fn、t作用而处于平衡状态，由g、fn、t三力组成的力矢量三角形与三角形oab相似。 设球重为g，大半球半径为r，钉子到球面最高点之距为h，此时绳子长为l，则有   所以   其中，g、r、h均不变，当l增加时，fn不变，t增大，所以，本题结论为支持力不变，拉力增大。 7假设法 假设法解决物体受力平衡问题，常用在判别相互接触物体间的静摩擦力方向。可先假设物体间接触面光滑即不受静摩擦力时，看物体会发生怎样的相对运动，再依据“静摩擦力方向与物体相对运动的趋势方向相反”并结合平衡条件进行判断、求解。 例7  （1992年全国高考题）如图11所示，位于斜面上的物块的质量为m，在沿斜面向上的力f作用下，处于静止状态，斜面作用于物块的静摩擦力的（  ） a方向可能沿斜面向上  b方向可能沿斜面向下 c大小可能等于零   d大小可能等于f 解析  除斜面可能作用于物块的静摩擦力f年，物块在沿斜面方向，受到重力的下滑分力和沿斜面方向向上的力f这两个力的作用。 若，则f=0；若，则f0且沿斜面向下；若，则f0且沿斜面向上，此时有，当时，。 本题的正确选项为a、b、c、d。 8力矩平衡法 有固定转动轴物体的平衡条件，其合力矩为零，即利用列、解方程。 例8  （2001年津晋理综高考题）图12是轮船上悬挂救生艇的装置的简化示意图。a、b是船舷上的固定箍，以n1、n2分别表示固定箍a、b作用于吊杆的水平力的大小，已知救生艇所受的重力g=1500n，d=1m，l=0.8m。如吊杆的质量忽略不计，则（  ） an1=1200n，n2=0    bn1=0，n2=1200n cn1=750n，n2=750n   dn1=1200n，n2=1200n 解析  隔离吊杆如图13，分析受力有：绳向下的拉力t，箍a对杆的水平作用力n1和竖直作用力na，箍b对杆的水平作用力n2和竖直作用力n