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在物体平衡问题中,存在着大量的动态平衡问题。所谓动态平衡问题,就是通过控制某一物理量,使物体的受力情况发生变化而物体仍时刻处于平衡状态的问题。这类问题灵活性很强,可以考查同学们解决问题的能力。解决这类问题通常有以下三种方法。
一、三角形相似法
利用几何三角形和矢量三角形的相似,列出对应的函数式。通过讨论各量的关系知道各力的变化情况。利用这种方法解题简明扼要,但只能用来解决三力的动态平衡问题。适用的场合:在题干材料中,研究对象受一些几何约束,这些几何约束能够构成相似三角形。
例1 如图1所示,将质量为m的小球,用长为L的轻绳吊起来,并靠在光滑的半径为r的半球体上。绳的悬点A到球面的最小距离为d。若绳长L变短,求小球对绳子的拉力和对半球体的压力如何变化?
解析 以小球为研究对象,受力分析如图1所示。从图中易知△AOB与△BCD相似,对应边成比例,得:
由于d、r不变,L减小,所以FN△不变,F减小。
二、图解法
对研究对象进行受力分析,用平行四边形定则画出不同状态下力的矢量图,然后根据有向线段长度的变化判断各力的变化情况。此法的适用条件是:
(1)物体受三个力的作用而处于平衡状态;
(2)其中一个力不变,另一个力的方向不变,第三个力的大小、方向均变化。
例2 如图2所示,重为m的球放在倾角为θ的光滑斜面上,被竖直放置的光滑挡板挡住。若将挡板逆时针转动逐渐放低,试分析球对挡板的压力和对斜面的压力如何变化?
解析 以球为研究对象,受力分析如图2所示,由平衡条件知FN1。和FN2的合力与重力等大反向,作出图形。当挡板逆时针转动时,G不变,FN1方向不变,FN2方向逆时针转动,在同一图示中再作力的图示,可知FN1逐渐减小,FN先减小后增加。
三、解析法
对研究对象的任一状态进行分析,列出平衡方程,写出函数表示式,再根据自变量的变化进行分析,得出结论。
例3 如图3所示,人站在岸上通过定滑轮牵引低处的小船。若水的阻力恒定,则在船匀速靠岸的过程中,绳的拉力及水对船的浮力如何变化?
解析 以船为研究对象,受力分析如图4所示,正交分解得方程:
f=TSINθ ①,
Tcosθ+F=mg ②。
由题知θ减小,T增加,F减小。
一、三角形相似法
利用几何三角形和矢量三角形的相似,列出对应的函数式。通过讨论各量的关系知道各力的变化情况。利用这种方法解题简明扼要,但只能用来解决三力的动态平衡问题。适用的场合:在题干材料中,研究对象受一些几何约束,这些几何约束能够构成相似三角形。
例1 如图1所示,将质量为m的小球,用长为L的轻绳吊起来,并靠在光滑的半径为r的半球体上。绳的悬点A到球面的最小距离为d。若绳长L变短,求小球对绳子的拉力和对半球体的压力如何变化?
解析 以小球为研究对象,受力分析如图1所示。从图中易知△AOB与△BCD相似,对应边成比例,得:
由于d、r不变,L减小,所以FN△不变,F减小。
二、图解法
对研究对象进行受力分析,用平行四边形定则画出不同状态下力的矢量图,然后根据有向线段长度的变化判断各力的变化情况。此法的适用条件是:
(1)物体受三个力的作用而处于平衡状态;
(2)其中一个力不变,另一个力的方向不变,第三个力的大小、方向均变化。
例2 如图2所示,重为m的球放在倾角为θ的光滑斜面上,被竖直放置的光滑挡板挡住。若将挡板逆时针转动逐渐放低,试分析球对挡板的压力和对斜面的压力如何变化?
解析 以球为研究对象,受力分析如图2所示,由平衡条件知FN1。和FN2的合力与重力等大反向,作出图形。当挡板逆时针转动时,G不变,FN1方向不变,FN2方向逆时针转动,在同一图示中再作力的图示,可知FN1逐渐减小,FN先减小后增加。
三、解析法
对研究对象的任一状态进行分析,列出平衡方程,写出函数表示式,再根据自变量的变化进行分析,得出结论。
例3 如图3所示,人站在岸上通过定滑轮牵引低处的小船。若水的阻力恒定,则在船匀速靠岸的过程中,绳的拉力及水对船的浮力如何变化?
解析 以船为研究对象,受力分析如图4所示,正交分解得方程:
f=TSINθ ①,
Tcosθ+F=mg ②。
由题知θ减小,T增加,F减小。