动态平衡中的三力问题

动态平衡中的三力问题动态平衡中的三力问题 物理组物理组 王高波王高波 在有关物体平衡的问题中 有一类涉及动态平衡 这类问题中的一部分力是变力 是 动态力 力的大小和方向均要发生变化 故这是力平衡问题中的一类难题 解决这类问题 的一般思路是 把 动 化为 静 静 中求 动 根据现行高考要求 物体受到往往 是三个共点力问题 利用三力平衡特点讨论动态平衡问题是力学中一个重点和难点 许多 同学因不能掌握其规律往往无从下手 许多参考书的讨论常忽略几中情况 笔者整理后介 绍如下 方法一 三角形图解法 方法一 三角形图解法 特点 特点 三角形图象法则适用于物体所受的三个力中 有一力的大小 方向均不变 通 常为重力 也可能是其它力 另一个力的方向不变 大小变化 第三个力则大小 方向均 发生变化的问题 方法 方法 先正确分析物体所受的三个力 将三个力的矢量首尾相连构成闭合三角形 然 后将方向不变的力的矢量延长 根据物体所受三个力中二个力变化而又维持平衡关系时 这个闭合三角形总是存在 只不过形状发生改变而已 比较这些不同形状的矢量三角形 各力的大小及变化就一目了然了 例例 1 11 1 如图 1 所示 一个重力G的匀质球放在光滑斜面上 斜面倾角为 在斜面上 有一光滑的不计厚度的木板挡住球 使之处于静止状态 今使板与斜面的夹角缓慢增大 问 在此过程中 挡板和斜面对球的压力大小如何变化 解析 解析 取球为研究对象 如图 1 2 所示 球受重力G 斜面支持力F1 挡板支持力 F2 因为球始终处于平衡状态 故三个力的合力始终为零 将三个力矢量构成封闭的三角 形 F1的方向不变 但方向不变 始终与斜面垂直 F2的大小 方向均改变 随着挡板逆 时针转动时 F2的方向也逆时针转动 动态矢量三角形图 1 3 中一画出的一系列虚线表示 变化的F2 由此可知 F2先减小后增大 F1随增大而始终减小 同种类型 例同种类型 例 1 21 2 所示 小球被轻质细绳系着 斜吊着放在光滑斜面上 小球质量为 m 斜面倾角为 向右缓慢推动斜面 直到细线与斜面平行 在这个过程中 绳上张力 斜面对小球的支持力的变化情况 答案 绳上张力减小 斜面对小球的支持力增大 图 1 1 图 1 2 G F1 F2 F1 G F2 图 1 3 图 1 4 F 方法二 相似三角形法 方法二 相似三角形法 特点 特点 相似三角形法适用于物体所受的三个力中 一个力大小 方向不变 其它二个 力的方向均发生变化 且三个力中没有二力保持垂直关系 但可以找到力构成的矢量三角 形相似的几何三角形的问题 原理 原理 先正确分析物体的受力 画出受力分析图 将三个力的矢量首尾相连构成闭合 三角形 再寻找与力的三角形相似的几何三角形 利用相似三角形的性质 建立比例关系 把力的大小变化问题转化为几何三角形边长的大小变化问题进行讨论 例例 2 2 一轻杆BO 其O端用光滑铰链固定在竖直轻杆AO上 B端挂一重物 且系一细 绳 细绳跨过杆顶A处的光滑小滑轮 用力F拉住 如图 2 1 所示 现将细绳缓慢往左拉 使杆BO与杆AO 间的夹角 逐渐减少 则在此过程中 拉力F及杆BO所受压力FN的大小 变化情况是 A FN先减小 后增大 B FN始终不变 C F先减小 后增大 D F始终不变 解析 解析 取 BO 杆的B端为研究对象 受到绳子拉力 大小为F BO 杆的支持力FN和悬 挂重物的绳子的拉力 大小为G 的作用 将FN与G合成 其合力与F等值反向 如图 2 2 所示 将三个力矢量构成封闭的三角形 如图中画斜线部分 力的三角形与几何三角形 OBA 相似 利用相似三角形对应边成比例可得 如图 2 2 所示 设 AO 高为H BO 长为L 绳长l 式中G H L均不变 l逐渐变小 所以可知FN不变 F逐渐变 l F L F H G N 小 正确答案为选项 B 同种类型 同种类型 如图 2 3 所示 光滑的半球形物体固定在水平地 面上 球心正上方有一光滑的小滑轮 轻绳的一端系一小球 靠放在 半球上的A点 另一端绕过定滑轮 后用力拉住 使小球静止 现缓慢地 拉绳 在使小球沿球面由A到半球的顶点B的过程中 半球对小球的支持 力N和绳对小球的拉力T的大小变化情况是 D A N变大 T变小 B N变小 T变大 C N变小 T先变小后变大 D N不变 T变小 方法三 作辅助圆法方法三 作辅助圆法 特点 特点 作辅助圆法适用的问题类型可分为两种情况 物体所受的三个力中 开始时 两个力的夹角为 90 且其中一个力大小 方向不变 另两个力大小 方向都在改变 但 A F B O 图 2 1 A F B O G FN F L l H 图 2 2 A C B O 图 2 3 动态平衡时两个力的夹角不变 物体所受的三个力中 开始时两个力的夹角为 90 且 其中一个力大小 方向不变 动态平衡时一个力大小不变 方向改变 另一个力大小 方 向都改变 原理 原理 先正确分析物体的受力 画出受力分析图 将三个力的矢量首尾相连构成闭合 三角形 第一种情况以不变的力为弦作个圆 在辅助的圆中可容易画出两力夹角不变的力 的矢量三角形 从而轻易判断各力的变化情况 第二种情况以大小不变 方向变化的力为 直径作一个辅助圆 在辅助的圆中可容易画出一个力大小不变 方向改变的的力的矢量三 角形 从而轻易判断各力的变化情况 例例 3 3 如图 3 1 所示 物体G用两根绳子悬挂 开始时绳OA水平 现将两绳同时顺时 针转过 90 且保持两绳之间的夹角 不变 物体保持静止状态 在旋转过 90 0 程中 设绳OA的拉力为F1 绳OB的拉力为F2 则 A F1先减小后增大 B F1先增大后减小 C F2逐渐减小 D F2最终变为零 解析 解析 取绳子结点O为研究对角 受到三根绳的拉力 如图 3 2 所示分别为 F1 F2 F3 将三力构成矢量三角形 如图 3 3 所示的实线三角形 CDE 需满足力 F3大小 方向不变 角 CDE 不变 因为角 不变 由于角 DCE 为直角 则三力的几何关系可以 从以 DE 边为直径的圆中找 则动态矢量三角形如图 3 3 中一画出的一系列虚线表示的三角 形 由此可知 F1先增大后减小 F2随始终减小 且转过 90 时 当好为零 正确答案选项为 B C D 另一种类型 另一种类型 如图 3 4 所示 在做 验证力的平行四边形定则 的实验时 用M N两 个测力计通过细线拉橡皮条的结点 使其到达O点 此时 90 然后保持 M 的读 数不变 而使 角减小 为保持结点位置不变 可采用的办法是 A A 减小N的读数同时减小 角 B 减小N的读数同时增大 角 C 增大N的读数同时增大 角 D 增大N的读数同时减小 角 方法四 解析法方法四 解析法 特点 特点 解析法适用的类型为一根绳挂着光滑滑轮 三个力中其中两个力是绳的拉力 由于是同一根绳的拉力 两个拉力相等 另一个力大小 方向不变的问题 原理 原理 先正确分析物体的受力 画出受力分析图 设一个角度 利用三力平衡得到拉 力的解析方程式 然后作辅助线延长绳子一端交于题中的界面 找到所设角度的三角函数 关系 当受力动态变化是 抓住绳长不变 研究三角函数的变化 可清晰得到力的变化关 系 A B O G 图 3 1 A B O G F1 F2 F3 图 3 2 F1 F2 F3 C D E D D D 图 3 3 M N O 图 3 4 例例 4 4 如图 4 1 所示 在水平天花板与竖直墙壁间 通过不计质量的柔软绳子和光滑 的轻小滑轮悬挂重物G 40N 绳长L 2 5m OA 1 5m 求绳中张力的大小 并讨论 1 当B点位置固定 A端缓慢左移时 绳中张力如何变化 2 当A点位置固定 B端缓慢下移时 绳中张力又如何变化 解析 取绳子 c 点为研究对角 受到三根绳的拉力 如图 4 2 所示分别为F1 F2 F3 延长绳 AO 交竖直墙于D点 由于是同一根轻绳 可得 BC 长度等于 CD AD 长 21 FF 度等于绳长 设角 OAD 为 根据三个力平衡可得 在三角形 AOD 中可 sin2 1 G F 知 如果A端左移 AD 变为如图 4 3 中虚线 A D 所示 可知 A D 不 AD OD sin 变 OD 减小 减小 F1变大 如果B端下移 BC 变为如图 4 4 虚线 B C 所示 sin 可知 AD OD 不变 不变 F1不变 sin 同种类型 同种类型 如图 4 5 所示 长度为 5cm 的细绳的