用杠杆平衡解决物体的“结”

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  问题提出:杠杆是物理学的一类模型。在力的作用下能围绕固定点转动的硬棒,都归纳为杠杆。绳子、硬杆、弹簧连结形成的连结体系中,我们常常利用杠杆平衡条件来解决硬杆连结问题。实际上,物体通过绳子、弹簧等软的物体连结时,我们也可将绳子、弹簧看作杠杆来分析。那么,我们应该如何用杠杆来处理绳子、硬杆、弹簧等组成的连结体系统呢?
  1绳子连结体的杠杆策略
  绳子连结体指用绳子连结而组成的系统,此系统的杠杆处理方法是:将张紧的绳子看作杠杆,绳子的一端看作杠杆的支点,同时对绳子另一端的连结点或连结体进行受力分析,利用杠杆平衡条件解决问题。
  例1(二十六届大同杯初赛)如图1所示,三根长度均为l的轻绳分别连接于C、D两点,A、B两端被悬挂在水平天花板上,相距为2l。现在C点上悬挂一个质量为m的重物,为使CD绳保持水平,在D点施加的最小力的值为
  [TP5CW107。TIF,BP#]
  A。mgB。[SX(][KF(]3[KF)][]3[SX)]mgC。[SX(]1[]2[SX)]mgD。[SX(]1[]4[SX)]mg
  解析此系统中,绳CD保持水平平衡,AC、CD、BD都可以看成杠杆。对C、D点受力情况如图2所示,其中FCD为绳CD对C点的拉力,FAC为绳AC对C点的拉力;F2为绳CD对D点的拉力,F1为绳BD对D点的拉力;FCD=F2;
  将绳AC作为杠杆,支点为A,用LCD和LG表示FCD和重物对C点拉力的力臂,利用平衡条件可得
  FCD×LCD=G×LG;
  将绳BD作为杠杆,支点为B,用L2表示F2的力臂,对D的最小拉力应和杠杆BD垂直,如图2中的F3,力臂为BD,利用杠杆平衡条件可得
  F2×L2=F3×BD;
  由于AC、CD、BD三根绳子长度都为l,AB距离为2l,绳CD水平平衡,则
  LCD=L2,LG=[SX(]1[]2[SX)]l,
  则G×[SX(]1[]2[SX)]l=F3×l,F3=[SX(]1[]2[SX)]G=[SX(]1[]2[SX)]mg。
  将绳(或线)看作杠杆,是绳子连结体简洁的处理方法。分析时,应选择合适的绳作为杠杆,设计合理的解决方案,尽量避免一些未知力带来的不便。本题选取绳AC和BD作为杠杆,两拉力FAC和F1对各自绳杠杆的力臂为零,避免了拉力FAC和F1大小的分析,大大简化了处理问题的过程。
  例2(二十八届大同杯初赛)如图3所示,XOY为直角支架,两根细绳的一端都拴在重物P上,另一端分别固定于支架的A、B两点。开始时,杆OX、绳BP水平,杆OY竖直,绳PA与水平方向夹角为60°。现使支架绕过O点的水平轴在竖直平面内[TP5CW108。TIF,Y#]顺时针方向缓慢转动至杆OY水平(如图4),在上述过程中,绳AP、BP的拉力TA、TB的变化情况是
  A。TA减小,TB先减小后增大
  B。TA减小,TB先增大后减小
  C。TA先减小后增大,TB增大
  D。TA先增大后减小,TB增大
  [TP5CW109。TIF,Y#]
  解析设支架绕过O点的水平轴在竖直平面内顺时针缓慢转动θ角,则PB、OX与水平方向及OY与竖直方向的夹角都为θ;重物P受竖直向下的重力G、PB绳子的拉力TB、PA绳子的拉力TA,如图5所示,支架缓慢转动,绳PB与绳PA两杠杆平衡。
  根据绳PB杠杆平衡条件可得
  G×PB×cosθ=TA×PB×cos30°,
  TA=[SX(]Gcosθ[]cos30°[SX)]。
  当支架顺时针缓慢转动至杆OY水平,θ由0°变为90°,cosθ减小,G和cos30°不变,则TA减小;当θ=90°,cosθ=0,TA=0 N,即图4中绳PA对P球拉力为0;
  对于绳PA杠杆,当支架顺时针缓慢转动至杆OY水平时,若θ≤60°,PA线在水平线的上方,各力的情况如图5,根据绳PA杠杆平衡条件可得
  G×PA×cos(60°-θ)=TB×PA×cos30°,
  [TP5CW110。TIF,Y#]
  TB=[SX(]Gcos(60°-θ)[]cos30°[SX)]。
  当θ由0°增大为60°时,(60°-θ)由60°减小为0°,cos(60°-θ)增大,G和cos30°不变,则TB增大;
  当θ由60°变为90°时,PA线在水平线的下方,力的关系如图6所示,根据绳PA杠杆平衡条件可得
  G×PA×cos(θ-60°)=TB×PA×cos30°,
  TB=[SX(]Gcos(θ-60°)[]cos30°[SX)]。
  当θ由60°增大为90°时,cos(θ-60°)减小,G和cos30°不变,则TB减小;
  当θ=60°时,绳PA和P球的重力垂直,重力的力臂最大,而重力G及TB的力臂PAcos30°不变,此时绳BP的拉力TB最大,即TB先增大后减小,故正确答案为B。
  将连结体中绳子看作杠杆,绳子必须张紧,而且选取的绳子中间不能再有连结点或连结物,当张紧的绳子静止或匀速(或缓慢)转动时,可以对绳用杠杆平衡条件。绳杠杆处理时必须注意:绳是轻质的,无需考虑绳杠杆的重力;绳只产生沿绳方向的拉力,而且对两端连结点或连结物的拉力大小相等,绳的拉力对自身杠杆没有影响;绳是直的无需考虑弯曲杠杆,杠杆动态变化的临界状态比较清晰,最大力臂即是力和绳垂直时。
  2弹簧连结体的杠杆策略
  弹簧连结体指系统中有弹簧,当系统静止时,选取合适的绳子或弹簧为杠杆,对连结点或连结物受力分析,利用杠杆平衡条件解决问题。   例3如图7所示,完全相同的、质量为m的A、B两球,用两根等长的细线悬挂在O点,两球之间夹着一根轻弹簧(弹簧产生的弹力F和弹簧长度变化量Δx成正比,关系式为F=kΔx,k为弹簧的常数,称为劲度系数),当静止不动时,弹簧处于水平方向,两根细线之间的夹角为θ,则弹簧的长度变化量Δx=[CD#3];当对B施加水平向右的外力F,直至OA线竖直绷紧而静止,此时两根细线之间的夹角为β,如图8所示,则恒力F=[CD#3]。
  [TP5CW111。TIF,BP#]
  解析A球受竖直向下的重力G=mg、沿着OA细线方向的拉力FA以及弹簧弹力F弹,由于A球左偏,所以弹簧对A球的弹力F弹水平向左。
  根据绳OA杠杆平衡条件可得
  mg×OA×sin[SX(]θ[]2[SX)]=F弹×OA×cos[SX(]θ[]2[SX)],
  则F弹=kΔx=mgtan[SX(]θ[]2[SX)],
  Δx=[SX(]mgtan[SX(]θ[]2[SX)][]k[SX)]。
  当对B施加水平向右外力F,直至OA线竖直绷紧静止时,A球的重力G和细线拉力FA沿细线方向,力臂为零,而OA静止,所以弹簧对A球没有作用力,同样弹簧对B球也没有作用力。
  B球受竖直向下的重力G=mg、沿着OB细线方向的拉力FB以及水平外力F,根据绳OB杠杆平衡条件可得
  mg×OB×sinβ=F×OB×cosβ,
  F=mgtanβ。
  有弹簧的连结体和绳子连结体非常相似,不同之处是:绳子只能产生沿绳向的拉力,而弹簧可以产生沿弹簧轴向的拉力和压力;弹簧的长度会随弹簧间弹力的变化而变化,受力分析时,我们需要通过杠杆平衡关系,确定弹簧产生的是压力还是拉力,同时运用弹簧产生的弹力和弹簧长度的变化量成正比的关系。
  3硬杆连结体的杠杆策略
  硬杆连结体指由硬杆连结而组成的系统,硬杆有杠杆的典型特点,因此杠杆处理是比较常用的手段,方法和普通杠杆相同。但是,硬杆连结相比绳子连结,有自身特点:(1)连结方式有铰链形成的“软连结”和固定的“硬连结”;(2)硬杆可以产生拉力和压力,方向未必沿杆向;(3)硬杆分重质杠杆和轻质杠杆,而重质杠杆还有质量分布均匀或不均匀;这些都会使硬杆连结系统产生不同的效果。
  例4(二十六届大同杯初赛)如图9所示,密度均匀的细杆AB与轻杆BC用光滑铰链铰在B端,A、C两端也用光滑铰链铰于墙上,AB=BC,BC杆水平,AB杆与竖直方向成θ=37°,此时AB杆与BC杆之间的作用力为F1。若将两杆的位置互换,如图10所示,AB杆与BC杆之间的作用力为F2,则F1∶F2为
  A。3∶5B。5∶3C。4∶5D。5∶4
  [TP5CW112。TIF,BP#]
  解析由于AB与BC都为硬杆,又通过光滑铰链连结,因此AB杆与BC杆都可以看成理想杠杆模型,本题的关键是确定力F1和F2的方向,从而利用杠杆平衡条件寻找F1和F2的大小关系。
  如图9所示,铰链光滑、BC杆为轻杆没有重力而平衡,所以AB杆对BC杆的作用力必须沿BC杆向,否则BC无法平衡;而AB有重力GAB,同时绕A向右偏离竖直位置平衡,所以BC对AB的作用力F1水平向右,如图11所示。
  [TP5CW112A。TIF,BP#]
  对AB杆运用杠杆平衡条件,可求得
  F1=[SX(]GABsinθ[]2cosθ[SX)]=[SX(]GABsin37°[]2cos37°[SX)]。
  同样,如图10所示,BC杆没有重力而平衡,所以AB杆对BC杆的作用力方向沿BC杆向;而AB有重力,同时水平平衡,BC对AB的作用力F2沿BC杆向上,如图12所示。
  对AB杆运用杠杆平衡条件,可求得
  F2=[SX(]GAB[]2cosθ[SX)]=[SX(]GAB[]2cos37°[SX)] ,
  则F1∶F2=sin37°=3∶5。
  光滑铰链的连结是硬杆的“软连结”,每根硬杆是杠杆,硬杆连结体的困难之处是:硬杆对连结点或连结物作用力方向的确定。本题通过对轻质杠杆BC的受力分析和杠杆平衡,得出AB杆与BC杆之间的作用力的方向沿BC杆向,然后对AB杠杆进行杠杆平衡条件分析,求作用力的大小关系。
  例5(二十五届大同杯复赛)如图13所示,两根长度相等的杆OA与OB在O点用螺母铰接在一起,两臂间的夹角可以改变,OA是没有质量的轻杆,而OB杆是有一定质量且质量分布均匀的重杆。初始时,两杆间的夹角为90°,用一根细线悬挂端点A,两杆处于静止状态,然后将两杆间的夹角变为100°,两杆再次处于静止状态时,O点相对于初始状态是[CD#3](选填:“上升”、“下降”、“位置不变”),为使金属杆的顶点O(即两臂连接处)位置最高,金属杆两臂张开的角度应为[CD#3]。
  [TP5CW113。TIF,BP#]
  解析本题中杆OA与OB在O点用螺母固定铰接在一起,可以将AOB整体进行杠杆分析,杠杆的支点为A,OA是没有质量的轻杆,OB杆是质量分布均匀的重杆,所以OB(也是AOB)的重心在OB的中点C,当两杆静止时,重心C又在悬挂A点的细线的延长线上,如图14。
  若图13中OA和OB的夹角为90°,需将两杆的夹角增大为[LL]100°,我们可以这样:先保持OA位置不变,BO绕O逆时针转动10°,BO的重心C将偏向悬线的右侧,两杆要再次平衡,AOB必须沿A顺时针转动,使C在悬线延长线上,则O点相对于初始状态将下降。
  为使金属杆的顶点O位置最高,AO边必须绕A摆到最右端,则O到竖直悬线的距离达到最大OC,BO杆处于水平静止状态,AO=2OC,则AO与悬线的夹角为30°,金属杆两臂张开的角度为60°。
  硬杆“硬连结”时,两硬杆连结处固定,不能看作单独的杠杆,一般将整个连结系统作为杠杠处理,运用杠杆平衡条件分析。本例中,虽然AO杆没有重力,但和OB杆硬连结,将AOB运用杠杆平衡解决问题就很简捷。
  我们发现:连结系统参与的物体形式多样,变化的过程纷繁又复杂,涉及知识晦涩而丰富,解决这个体系中的问题,成为学生物理学习的一个“结”。连结体的杠杆处理将多样的物体归纳成一类物体——杠杆;多变的过程变成一个过程——杠杆变化;丰富的知识化解成一个重点知识——杠杆平衡条件,彻底解开了学生的心“结”。
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