利用矢量三角形巧解三力动态平衡问题

发表时间:2020/9/4   来源:《教育学文摘》2020年12期   作者:陈保国
[导读] 共点力平衡高中物理的一个重要的知识点,是高考中的一个重要考点,
        共点力平衡高中物理的一个重要的知识点,是高考中的一个重要考点,其中动态平衡问题又是平衡问题中的重点和难点,如何快速准确的解决这类问题呢?首先要了解动态平衡有哪几种类型,不同的情况有不同的技巧和方法解决。
        第一种类型:已知一个力的大小和方向和另一个力的方向,计算或判定第三个力的大小和方向
例题1:(2019·青海省平安一中高三月考)一个挡板固定于光滑水平地面上,截面为1/4圆的柱状物体甲放在水平面上,半径与甲相等的光滑圆球乙被夹在甲与挡板之间,没有与地面接触而处于静止状态,如图所示。现在对甲施加一个水平向左的力F,使甲沿地面缓慢地移动,直至甲与挡板接触为止。设乙对挡板的压力为F1,乙对甲的压力为F2,甲对地压力为F3,在此过程中(  )
A.F1缓慢增大,F2缓慢增大,F3缓慢增大
B.F1缓慢增大,F2缓慢减小,F3缓慢减小
C.F1缓慢减小,F2缓慢增大,F3保持不变
D.F1缓慢减小,F2缓慢减小,F3保持不变
【解析】先以乙为研究对象,分析受力情况如图
当甲向左移动时,N2与竖直方向的夹角减小,因此甲对乙的弹力N2与挡板对乙的弹力N1均减小。根据牛顿第三定律可知,乙对挡板的压力为              F1=N1
乙对甲的压力为        F2=N2
因此F1、F2均逐渐减小。再对整体分析受力如图所示
由平衡条件可得,地面对整体的支持力为 N=G总
根据牛顿第三定律可知,甲对地压力为 F3=N=G总
因此F3不变。故ABC错误,D正确。故选D。
结论:矢量三角形法或平行四边形法
        第二种类型:已知一个力的大小和方向和另两个力的大小相等,这两力方向发生变化。计算或判定另两个力的大小变化
例题2:(2020·四川省泸县五中高三月考)如图所示,直杆AB可绕其中心O在竖直面内自由转动,一根细绳的两端分别系于直杆的A、B两端,重物用光滑挂钩吊于细绳上,开始时重物处于静止状态,现将直杆从图示位置绕O点沿顺时针方向缓慢转过90°,则此过程中,细绳上的张力(  )
A.先增大后减小   
B.先减小后增大   
C.一直减小   
D.大小不变
【解析】:挂钩相当于滑轮,因此绳上的张力相等,且两边绳子与竖直方向的夹角相等,设两边绳子与竖直方向的夹角为θ,将直杆从图示位置绕O点沿顺时针方向缓慢转过90°的过程中,θ先增大后减小,由2Fcosθ=mg可知绳上的张力先增大后减小,选项A正确。
结论:三角函数法:知道重力不变,绳子两端的拉力相等构建力的平行四边形结合三角函数可很容易的得出答案
        第三种类型:已知一个力的大小和方向和另两个力的大小不相等,另两力方向都在变化,计算或判定这两力的大小
例题3:(2019·黑龙江省大庆四中高一月考)半径为R的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,滑轮到球面B的距离为h,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,如图所示,现缓慢地拉绳,在使小球由A到B的过程中,半球对小球的支持力N和绳对小球的拉力T的大小变化的情况是( )
A.N不变,T变小   
B.N不变,T先变大后变小
C.N变小,T先变小后变大   
D.N变大,T变小
【解析】对小球受力分析如图所示,根据矢量三角形和力的图示的特点可知

小球由A到B的过程,只有定滑轮左侧的绳子L变短,h和R均不变,所以N不变,T变小,故A正确,BCD错误.
结论:相似三角形法:对物体受力分析构建力的三角形,该力的三角形和图中边的三角形相似,用相似比巧妙的解决问题。
第四种类型:已知一个力的大小和方向,另两个力间的夹角不变,计算或判定另两个力的大小变化。
例题4:(2018年乌鲁木齐市一模)如图所示,一光滑球体静止于夹角为θ的支架ABC内,现以B为轴,让整个支架缓慢的顺时针旋转,直至支架BC部分水平。设BC部分对球体的作用力为F,则整个过程中(   )
A.F可能一直减小      
B.F可能一直增大
C.F可能先减小后增大   
D.F可能先增大后减小
解析:方法1:辅助圆法:小球受到重力,BC板对小球的弹力F作用,AB板对小球的弹力F1作用,构建力的三角形可知重力不变,F和F1大小和方向都变化,且θ角不变,因此可以构建该三角形的外接圆,如图丙所示:丙图θ为钝角时:F一直增加;丁图:θ为锐角时:F是先增加再减小的过程
结论:辅助圆法的特点:力的三角形中,一边不变两边间的夹角不变。
总之,解决三力动态平衡问题时,其基础是力的三角形,正确画出力的三角形,根据题目中的具体信息结合三角形中的数学知识,采用正确的知识和方法就能很巧妙的解决共点力中的各种三力动态平衡问题。

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