物體平衡問題的求解方法

物體平衡問題的求解方法
 物體處于靜止或勻速運動狀態(tài)，稱之為平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下的物體是是物理中重要的模型，解平衡問題的基礎(chǔ)是對物體進行受力分析。物體的平衡在物理學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，在高考中，直接出現(xiàn)或間接出現(xiàn)的概率非常大。本文結(jié)合近年來的高考試題探討物體平衡問題的求解策略。
 1．整體法和隔離法
 對于連接體的平衡問題，在不涉及物體間相互作用的內(nèi)力時，應(yīng)道德考慮整體法，其次再考慮隔離法。有時一道題目的求解要整體法、隔離法交叉運用。
 [例1]  （1998年上海高考題）有一個直角支架AOB，AO水平放置，表面粗糙，OB豎直向下，表面光滑，AO上套有小環(huán)P，OB上套有小環(huán)P，兩環(huán)質(zhì)量均為m，兩環(huán)間由一根質(zhì)量可忽略、不可伸長的細繩相連，并在某一位置平衡，如圖1。現(xiàn)將P環(huán)向左移一小段距離，兩環(huán)再次達到平衡，那么將移動后的平衡狀態(tài)和原來的平衡狀態(tài)比較，AO桿對P環(huán)的支持力N和細繩上的拉力T的變化情況是（  ）
 A．N不變，T變大    B．N不變，T變小
 C．N變大，T變大    D．N變大，T變小
 解析  用整體法分析，支持力不變。再隔離Q環(huán)，設(shè)PQ與OB夾角為θ，則不，θ角變小，cosθ變大，從上式看出T將變小。故本題正確選項為B。
 2．正交分解法
 物體受到3個或3個以上的力作用時，常用正交分解法列平衡方程，形式為，。為簡化解題步驟，坐標(biāo)系的建立應(yīng)達到盡量少分解力的要求。
 [例2]  （1997年全國高考題）如圖2所示，重物的質(zhì)量為m，輕細繩AO與BO的A端、B端是固定的，平衡時AO是水平的，BO與水平面夾角為θ，AO的拉力F1和BO的拉力F2的大小是（  ）
 A．  B．
 C．  D．
 解析  選O點為研究對象，O點受3個力的作用。沿水平方向和豎直方向建立坐標(biāo)系，如圖3所示。由物體的平衡條件；
 解得       因此選項BD正確。
 3．力的合成法
 物體在受到3個共點力的作用下處于平衡狀態(tài)，則任意2個力的合力必定與第3個力大小相等，方向相反。力的合成法是解決三力平衡的基本方法。
 [例3]  上例中，根據(jù)三力平衡特點——任意2個力的合力與第3個力等大反向，作出如圖4所示和矢量圖，由三角形知識可得 
 4．力的三角形法
 對受三力作用而平衡的物體，將力平移后，這3個力便組成一個首尾依次相接的封閉的力三角形。力三角形在處理靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡問題中時常用到。
 [例4]  （1998年廣東高考題）如圖5細繩AO，BO等長，A點固定不動，在手持B點沿圓弧向C點緩慢運動過程中，繩BO的張力將（  ）
 A．不斷變大     B．不斷變小
 C．先變小再變大    D．先變大再變小
 解析  選O點為研究對象，O點受F、FA、FB三力作用而平衡。此三力構(gòu)成一封閉的動態(tài)三角形如圖6所示。很容易看出，當(dāng)FB與FA垂直時，即時，F(xiàn)B取最小值。因此，選項C正確。
 5．拉密定理法
 3個共點力平衡時，每一個力與其所對角的正弦成正比。如圖7所示，有（證略）
 [例5]  （2003年全國理綜高考題）如圖8所示，一個半球形的碗放在桌面上，碗口水平，O點為其球心，碗的內(nèi)表面及碗口是光滑的。一根細線跨在碗口上，線的兩端分別系有質(zhì)量為和的小球，當(dāng)它們處于平衡狀態(tài)時，質(zhì)量為的小球與O點的連線與水平面的夾角為。兩小球的質(zhì)量比為（  ）
 A．    B．    C．    D．
 解析  選m1小球為研究對象，分析受力如圖9所示，它受重力G、碗的支持力FN、線的拉車T（大小等于m2g）3個共點力作用而平衡。應(yīng)用拉密定理，有
 所以   故選項A正確。
 6．相似三角形法
 物理上的矢量可用有向線段表示，矢量的合成與分解又遵守平行四邊形法則或三角形法則，這樣就構(gòu)成了一個矢量三角形（平行四邊形可分為兩個三角形），如果能找到一個由已知量構(gòu)成的三角形與之相似，那么“相似三角形的對應(yīng)線段分別成比例”，這一知識就可用于處理物理問題。
 [例6]  繩子一端拴著一小球，另一端繞在釘子上，小球放在一光滑的大半球上靜止，如圖10所示。由于某種原因，小球緩慢地沿球面向下移動，在此過程中，球面的支持力和繩子的拉力如何變化？
 解析  本題中小球緩慢移動能看成平衡狀態(tài)。如圖10所示，小球受到3個共點力G、FN、T作用而處于平衡狀態(tài)，由G、FN、T三力組成的力矢量三角形與三角形OAB相似。
 設(shè)球重為G，大半球半徑為R，釘子到球面最高點之距為h，此時繩子長為L，則有  
 所以 
 其中，G、R、h均不變，當(dāng)L增加時，F(xiàn)N不變，T增大，所以，本題結(jié)論為支持力不變，拉力增大。
 7．假設(shè)法
 假設(shè)法解決物體受力平衡問題，常用在判別相互接觸物體間的靜摩擦力方向�？上燃僭O(shè)物體間接觸面光滑即不受靜摩擦力時，看物體會發(fā)生怎樣的相對運動，再依據(jù)“靜摩擦力方向與物體相對運動的趨勢方向相反”并結(jié)合平衡條件進行判斷、求解。
 [例7]  （1992年全國高考題）如圖11所示，位于斜面上的物塊的質(zhì)量為M，在沿斜面向上的力F作用下，處于靜止?fàn)顟B(tài)，斜面作用于物塊的靜摩擦力的（  ）
 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塊的靜摩擦力f年，物塊在沿斜面方向，受到重力的下滑分力和沿斜面方向向上的力F這兩個力的作用。
 若，則f=0；若，則f≠0且沿斜面向下；若，則f≠0且沿斜面向上，此時有，當(dāng)時，。
 本題的正確選項為A、B、C、D。
 8．力矩平衡法
 有固定轉(zhuǎn)動軸物體的平衡條件，其合力矩為零，即利用列、解方程。
 [例8]  （2001年津晉理綜高考題）圖12是輪船上懸掛救生艇的裝置的簡化示意圖。A、B是船舷上的固定箍，以N1、N2分別表示固定箍A、B作用于吊桿的水平力的大小，已知救生艇所受的重力G=1500N，d=1m，L=0.8m。如吊桿的質(zhì)量忽略不計，則（  ）
 A．N1=1200N，N2=0    B．N1=0，N2=1200N
 C．N1=750N，N2=750N   D．N1=1200N，N2=1200N
 解析  隔離吊桿如圖13，分析受力有：繩向下的拉力T，箍A對桿的水平作用力N1和豎直作用力NA，箍B對桿的水平作用力N2和豎直作用力NB。
 選B為轉(zhuǎn)動軸，由力矩平衡可得 …………（1）
 選A為轉(zhuǎn)動軸，由力矩平衡可得 …………（2）
 聯(lián)立（1）（2）解得 N1=1200N，N2=1200N
 因此，本題的正確選項為D。
 上述處理平衡問題的8種方法，在處理具體問題時各有特點，針對具體總是靈活地選擇恰當(dāng)?shù)姆椒�，會使問題處理變得簡捷明子。

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