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图解法:当物体受到不共线的三力而平衡时,此三力一定组成闭合的矢量三角形.当其中的一个力发生变化时,只要物体仍处于平衡状态,则三力组成新的闭合矢量三角形,由此可根据动态三角形的变化,即由三角形的边长变化确定力的大小和方向.在力的动态平衡问题中,确定力的大小、方向如何变化时,以及在变化中出现极值问题,图解法是解决这类问题绝好的办法.现举例如下.
例1如图1所示.木板沿逆时针方向缓慢移动,在此过程中,讨论木板、斜面对小球压力如何变化.
分析过程小球受三个力的作用,如图2,G的大小、方向不变;N1大小变,方向不变;N2大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变N2的两个力的合力必在N1的反向上,由于α不断增大,由动态矢量三角形边长的变化,如图2,得:N1逐渐减小,N2先减后增.
例2如图3所示.F缓慢推斜面向右运动,讨论在此过程中,绳子对小球拉力、斜面对小球的支持力如何变化?
分析过程物体受三个力作用,如图4,G大小、方向不变;N大小变,方向不变;T大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变T的两个力的必在N的反向上,由于α不断增大,由动态矢量三角形边长的变化,如图4,得:斜面对小球的支持力N逐渐增大,绳子的拉力T先减后增.
下面举两例在动态平衡中的极值问题.
例3如图5所示.质量为m 的物体与地面间动摩擦因数为μ,在斜向上拉力T作用下,水平向右匀速运动,问α为何值时,T最小,最小值为多少?
分析过程物体受四个力作用,如图6,即重力G,绳子的拉力T,地面对物体的支持力N和地面对物体的摩擦力f,由于拉力T的变化,必将引起支持力N和摩擦力f的变化.但由于f/N=μ=tanθ,因为μ是常数,所以θ不变.即f、N的合力F的方向不变,因此将物体受四个力的作用转化为物体受三个力的作用,即G的大小、方向不变;F的大小变,方向不变;T大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变的T的这两个力的合力,必在F的反向上,由动态矢量三角形边长的变化,如图6,得T最小=mgsinθ, 由几何关系得θ=α,所以tanα=tanθ=μ,α=arccotμ,T最小=mgμ1 μ2.
例4如图7所示.质量为m的物体与斜面间动摩擦因数为μ,斜面倾角为θ,斜面固定不动,现用斜向上的拉力T作用,物体沿斜面向上匀速运动,问α为何值T最小,最小为多少?
分析过程物体受四个力作用,如图8,即重力G,绳子的拉力T,斜面对物体的支持力N和斜面对物体的摩擦力f,由于拉力T的变化,必将引起支持力N和摩擦力f的变化.但由于f/N=μ=tanβ,因为μ是常数,所以β角不变,即f、N的合力F的方向不变,因此将物体受四个力的作用转化为物体受三个力的作用,即G的大小、方向不变;F的大小变,方向不变;T大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变的T的这两个力的合力,必在F的反向上,由动态矢量三角形边长的变化,如图8得:T最小=mgsin, 由几何关系得,=β θ,α=β,所以tanα=tanβ=μ,α=β=arccotμ.
通过上述例子可以看出,在定性解决力的动态平衡中力的变化和极值问题时,图解法不仅可以避免常规方法正交分解、列方程、解方程和讨论力的函数关系的繁琐过程,而且具有简捷、直观的优点.凡是遇到三个或三个以上的共点力平衡题目时,若一个力的大小、方向不变,另一个力方向不变,求这个力的大小或第三个力的大小方向如何变化时,都可以利用图解法求解.
例1如图1所示.木板沿逆时针方向缓慢移动,在此过程中,讨论木板、斜面对小球压力如何变化.
分析过程小球受三个力的作用,如图2,G的大小、方向不变;N1大小变,方向不变;N2大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变N2的两个力的合力必在N1的反向上,由于α不断增大,由动态矢量三角形边长的变化,如图2,得:N1逐渐减小,N2先减后增.
例2如图3所示.F缓慢推斜面向右运动,讨论在此过程中,绳子对小球拉力、斜面对小球的支持力如何变化?
分析过程物体受三个力作用,如图4,G大小、方向不变;N大小变,方向不变;T大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变T的两个力的必在N的反向上,由于α不断增大,由动态矢量三角形边长的变化,如图4,得:斜面对小球的支持力N逐渐增大,绳子的拉力T先减后增.
下面举两例在动态平衡中的极值问题.
例3如图5所示.质量为m 的物体与地面间动摩擦因数为μ,在斜向上拉力T作用下,水平向右匀速运动,问α为何值时,T最小,最小值为多少?
分析过程物体受四个力作用,如图6,即重力G,绳子的拉力T,地面对物体的支持力N和地面对物体的摩擦力f,由于拉力T的变化,必将引起支持力N和摩擦力f的变化.但由于f/N=μ=tanθ,因为μ是常数,所以θ不变.即f、N的合力F的方向不变,因此将物体受四个力的作用转化为物体受三个力的作用,即G的大小、方向不变;F的大小变,方向不变;T大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变的T的这两个力的合力,必在F的反向上,由动态矢量三角形边长的变化,如图6,得T最小=mgsinθ, 由几何关系得θ=α,所以tanα=tanθ=μ,α=arccotμ,T最小=mgμ1 μ2.
例4如图7所示.质量为m的物体与斜面间动摩擦因数为μ,斜面倾角为θ,斜面固定不动,现用斜向上的拉力T作用,物体沿斜面向上匀速运动,问α为何值T最小,最小为多少?
分析过程物体受四个力作用,如图8,即重力G,绳子的拉力T,斜面对物体的支持力N和斜面对物体的摩擦力f,由于拉力T的变化,必将引起支持力N和摩擦力f的变化.但由于f/N=μ=tanβ,因为μ是常数,所以β角不变,即f、N的合力F的方向不变,因此将物体受四个力的作用转化为物体受三个力的作用,即G的大小、方向不变;F的大小变,方向不变;T大小、方向都变.
解题方法始终找大小、方向都不变G和大小、方向都变的T的这两个力的合力,必在F的反向上,由动态矢量三角形边长的变化,如图8得:T最小=mgsin, 由几何关系得,=β θ,α=β,所以tanα=tanβ=μ,α=β=arccotμ.
通过上述例子可以看出,在定性解决力的动态平衡中力的变化和极值问题时,图解法不仅可以避免常规方法正交分解、列方程、解方程和讨论力的函数关系的繁琐过程,而且具有简捷、直观的优点.凡是遇到三个或三个以上的共点力平衡题目时,若一个力的大小、方向不变,另一个力方向不变,求这个力的大小或第三个力的大小方向如何变化时,都可以利用图解法求解.