物体的平衡·例题分析

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时间:2018-11-12

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1、物体的平衡·例题分析 例1 如图1-37所示,用AO、BO两细线悬挂一重G的物体.若保持AO线与水平方向间夹角α不变,当BO线从水平位置缓缓转向接近竖直位置的过程中,AO、BO两线中的拉力T1,T2的变化情况是  [   ]A.都变大B.都变小C.T1减小,T2增大D.T1减小,T2先减小、后增大分析 以物体为研究对象,它受到三个力作用:重力G、绳AO、BO的拉力T1、T2.设某位置时BO与水平方向间夹角为β,则物体的受力情况如图1-38(a)所示.当BO线缓缓转动时,每一瞬间物体都可以看成处于平衡状态.作用在物体上的三个力一定可以构成一个封闭三角形,如图1-38(b)所示.由图可知,

2、当转动BO线、β增大至90°的过程中,AO线中的拉力T1不断减小,BO线中的拉力T2先减小,至β=90°-α时达最小值,然后再增大.答 D.说明 可以注意到题中物体所受的三个力有这样的特点:一个力的大小、方向恒定(题中为重力G),另一个力的方向线不变(题中为AO线中拉力T1),第三个力的作用方向发生变化.能利用力三角形判断力的变化的问题,都有这样的特点.力三角形法不仅直观,而且远比用解析法简便得多,希望读者结合本例,仔细体会.例2 一个质量为m的物体,放在水平地面上,物体与地面间的动摩擦因数为μ.试问应沿怎样的方向对它施力,才能使它沿水平地面匀速滑行所需的外力最小?外力的最小值为多少?

3、分析 设拉力F的方向与水平方向间夹角为α,物体的受力图情况如图1-39所示.由水平方向和竖直方向的力平衡即可找出极值条件.解 (1)正交分解法根据物体在水平方向和竖直方向的力平衡条件,得Fcosα-f=0,Fsinα+N-mg=0.又          f=μN.联立三式得(2)力三角形法恒定(图1-40),即于是,原来的物体转化为只受三个力作用,并且具有这样的特点:一个力(mg)恒定,一个力(R)的方向线不变.根据力三角形法立即可知,当F垂直R时,F有最小值(图1-41).即当例3 用轻质细线把两个质量未知的小球悬挂起来,如图1-42所示.今对小球a持续施加一个向左偏下30°的恒力,

4、对小球b持续施加一个向右偏上30°的同样大的恒力,最后达到平衡,表示平衡状态的图(1-42)可能是                  [   ]分析 方法1分别以小球a、b为研究对象.小球b受到重力m2g、外加恒力F2、线中张力T2.平衡时,F2与T2的合力必与m2g等值反向.小球a受到重力m1g、外加恒力F1、线中张力T1、以及上面悬线张力T(方向未定).由于T1与T2,F1与F2等值反向,因此,T1与F1的合力R1也必定与R2等值反向,即为竖直向下,与m1g同向.由此可见,小球a平衡时上面悬线的张力T也应在竖直方向(图1-43).方法2以小球a、b和它们之间的连线组成的整体为研究对

5、象.这一整体受到的外力有:重力m1g、m2g,外加恒力F1、F2,上面悬线弹力T(方向未定).由于F1、F2等值反向,互相抵消.平衡时,悬线弹力必与两重力(m1+m2)g等值反向,即悬线应在竖直位置(图1-44).答A.说明 使用整体法时,可以不考虑小球a、b通过其间细线的相互作用,仅需从整体所受外力出发.请读者结合本题,仔细体会隔离法和整体法的应用.例4 质量m=5kg的物体.置于质量M=20kg,倾角α=30°的粗糙斜面上,斜面放在粗糙水平地面上,如图1-45所示.现用平行于斜面、大小为F=30N的力推物体,使物体沿斜面匀速上行.在这过程中,斜面体与地面保持相对静止.求地面对斜面体

6、的摩擦力和支持力的大小.取g=10m/s2.分析 物体受到四个力:重力mg、斜面支持力N1、推力F、斜面摩擦力f1.斜面体受到五个力:重力Mg、物体对斜面的压力N'1(N'1=N1)和摩擦力f'1(f'1=f1)、地面支持力N2、地面摩擦力f2.画出它们隔离体的受力图,如图1-46(a)和(b)所示.选取正交坐标后,根据力平衡条件列式,即可得解.解 对于物体m,选取沿斜面方向和垂直斜直方向为正交坐标,由力平衡条件得对斜面体M,选取沿水平方向和竖直方向为正交坐标,同理得因f'1=f1,N'1=N1,把①、②两式代入③、④两式,得地面的摩擦力和支持力分别为f2=(F-mgsinα)cosα

7、+mgcosαsinαN2=Mg+mgcos2α-(F-mgsinα)sinα=Mg+mg-Fsinα=235N.说明 由于匀速直线运动与静止力学条件相同(F合=0),因此两者等价.题中物体沿斜面体匀速上滑,可以看成静止在斜面体上,并作为一个整体(图1-47).于是,由水平方向和竖直方向的力平衡条件,立即可得

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