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力的动态平衡分析法

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力的动态平衡分析法
时间:2022-10-21 04:48:42     小编:

动态平衡即某一过程中物体处于一系列的平衡状态下,物体所受合力虽恒为零,但组成合力的“成员”作用在发生变化. 分析这类问题,可采用控制变量的思想,先定量研究某参量确定下的一个平衡态,得到各“成员”的变化规律,再讨论该参量变化时各“成员”的变化情况.

[ 平行四边形法]

平行四边形定则是力、运动、加速度等所有矢量的合成与分解都遵循的矢量运算的最基本定则.

[甲乙]

图3

方法三:三角形法. 由图3乙,有

由此推出,在[BC]板逐渐放平的过程中,α角减小,FNl、FN2都逐渐减小. 选B项.

点拨 动态平衡问题的处理,往往有多种方法,比如列公式或画图. 公式法的局限性比较大. 图象法可分为合成法和分解法. 如果是三个力使物体平衡,可合成其中的两个变力,它们的合力与第三个力等大反向,通过构成的平行四边形或三角形边长的变化,得出力的变化.

[ 矢量三角形法]

合成与分解的平行四边形问题,实际上也是解三角形问题,利用正弦、余弦定理或相似三角形的知识求解. 对三力平衡的动态分析,也可从受力分析入手,抓住变量与不变量的关系,根据平衡条件和平行四边形定则,把物体所受的三个力集中到三角形中,求解三角形中的边角关系即力之间的关系.

例2 如图4所示,水平放置的粗糙的长木板上放置一个物体[m],当用力缓慢抬起一端时,讨论木板受到物体的压力和摩擦力将怎样变化.

[甲乙]

图4 图5

解析 以物体为研究对象,受力分析如图5甲所示. 可知在抬起木板的过程中,摩擦力的变化是先增加后减小,压力一直减小. 或用三角形法,在物体未滑动时,处于平衡状态,加速度为零,所受三个力围成一个闭合三角形. 由于摩擦力总与支持力垂直,故三力构成直角三角形,可将它们构成一个半圆形,如图5乙所示,从而得出各力变化情况.

例3 如图6所示,用绳将球挂在光滑的墙面上,绳子变短时,讨论绳的拉力和球对墙的压力将如何变化.

[甲乙]

图6 图7

解析 从对应的图7甲中的平行四边形或图7乙中的三角形不难看出,当绳子变短时,θ角增大,FN增大,FT变大.

例4 如图8所示,在AC绳上悬挂一重物G,在AC绳的中部O点系一绳BO,以水平力F牵动绳BO,保持AO方向不变. 现使BO绳沿虚线所示方向缓缓向上移动,讨论力F和AO绳上拉力的变化情况.

[甲乙]

图8 图9

解析 用平行四边形法(图9甲)或矢量三角形法(图9乙)可以看出,在[BO]绳缓缓向上移动的过程中,[T]变小,[F]先变小后变大.

点拨 三个共点力作用下的动态平衡问题,通常其中一个力大小、方向均不变,如重力,另一个力方向不变,大小变(或大小不变,方向变),如支持力,第三个力大小、方向均改变.

[ 相似三角形法]

当力构成的三角形与周围有绳或边构成相似三角形之时,往往运用相似三角形法,根据物体所受合力为零,构建封闭的“力矢量三角形”,寻求与力矢量三角形相似的几何三角形,建立比例关系,把力的大小变化问题转化为几何边长的大小变化问题进行讨论.

例5 如图10所示,固定在水平面上的光滑半球,半径为R,球心O的正上方固定一个小定滑轮,细线一端拴一小球,置于半球面上的A点,另一端绕过定滑轮. 现缓慢地将小球从A点拉向B点,讨论在此过程中,小球对半球的压力大小FN、细线的拉力大小FT的变化情况.

[图11] [图10]

解析 小球受力如图11所示,据平衡条件,小球所受的支持力FN和细线的拉力FT的合力F跟重力是一对平衡力,有[F=G]. 据几何关系,力三角形[ΔFAFN]与几何三角形[ΔCOA]相似. 设半球的半径为[R],滑轮到半球顶点[B]的距离为[h],线长[AC]为[L],有[FNR=GR+h=FTL]. 在小球从[A]点移向[B]点的过程中,[G、R、h]均不变,[L]减小,则FN大小不变,FT减小.

点拨 本题由于此变化中支持力FN和细线的拉力FT的方向是往竖直方向靠拢,单纯用图形法无法显示其变化特点.

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