探究弹力问题的理解与判断

来源 :数理化学习·高一二版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yangpengjx
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  如何判定弹力是否存在及怎样正确地确定弹力的方向,这是同学们在学习力学知识的过程中经常遇到的问题,也是同学们感到困惑的知识点.为了使同学们对这个问题有比较清醒的认识并能够正确地进行判断,下面我们就一起来对其进行深入的探讨.
  一、弹力是否存在的判定
  根据弹力的概念可得到产生弹力的两个必要条件:(1) 物体间要相互接触;(2) 物体应发生弹性形变.因此要判定物体之间是否存在弹力,要先看两个物体之间是否相互接触,再看它们是否与之对应地发生了弹性形变.对于物体的形变,要注意的是有时很明显,容易看出来;有时很微小,很不容易察觉.对应不容易察觉的情况,常采取“假设法”进行判定.
  1. “正”假设法
  基本思路:假设两物体之间有弹力作用,看假设的结果是否与物体的运动状态一致,若一致则假设的弹力存在;若不一致则假设的弹力就不存在.
  例1 如图1所示,一球放在光滑水平面AC上并与光滑面AB接触,球处于静止状态,则该球所受弹力大小是多少?方向又如何?
  解析:小球与AC面接触较为明显,而分析球与AB之间是否存在相互挤压和发生形变较困难.为此可先假设球与AB面之间有弹力作用,于是其受力情况如图1所示.据此可知该球在水平方向上所受的合力不为零,这样球必然会向右运动而离开AB面,这就与题意给定的球处于静止状态不符,这就说明该球虽然与AB面之间接触,但并不存在弹力作用.因此该球只受到AC平面对它竖直向上的弹力,弹力大小等于该球所受的重力.
  2. “反”假设法
  基本思路:假设将与研究对象接触的物体解除接触,判断研究对象的运动状态是否发生改变.若运动状态不变,则此处不存在弹力;若运动状态改变,则此处一定存在弹力.
  图1 图2
  例2 如图2所示,小球系在竖直拉紧的细绳下端,球与斜面接触并处于静止状态,试求小球受到弹力的大小和方向.
  解析:细绳与斜面对小球都有可能产生弹力作用,可先假设将细绳撤去,则小球一定会沿斜面滚下,与题中小球处于静止状态矛盾,因此细绳对小球一定有弹力作用.再假设将斜面撤去,则小球依然会竖直向下悬挂着并处于静止状态,与题意相符,因而斜面对小球只是相互接触,并没有相互挤压发生形变,故斜面对小球没有弹力作用.因此小球只受到细绳对它竖直向上的拉力,拉力的大小等于小球受到的重力.
  二、弹力方向的判定
  1. 根据物体产生形变的方向判定
  弹力的方向与物体形变的方向相反,并且作用在迫使这个物体发生形变的那个物体上,具体情况可分为以下几种:
  (1) 轻绳的弹力:轻绳只能产生拉力,方向沿着绳子并指向绳子收缩的方向.
  (2) 轻弹簧的弹力:轻弹簧有压缩和拉伸形变,既能产生拉力,又能产生压力.方向沿弹簧的轴线方向且与弹性形变方向相反.
  (3) 轻杆的弹力:轻杆可以发生拉伸、压缩、弯曲、扭转形变,与之对应,杆的弹力方向具有多向性且不一定沿着杆,应视具体情况而定.
  图3
  例3 如图3所示,由轻杆AB与BC构成的三角形支架固定在墙壁上,A、B、C各点固定且均用铰链连接,在A处挂以重物,试确定A点受到的弹力?
  解析:图中A为杆AB、AC及绳的结点,绳挂重物时被拉伸,对A点的拉力竖直向下.对AB杆分析时,可假设此杆不存在,则AC杆将以C点为轴顺时针转动,AB间距变大.再设想AB中间有一小弹簧,小弹簧将被拉长,这就表现出了AB杆的弹力沿AB方向指向B点.对AC杆分析,也假设此杆不存在,则AB杆将以B点为轴顺时针转动,AC间距变小.再设想AC中间有一小弹簧,小弹簧被压缩,故挂重物时AC杆将被压缩,所以AC杆的弹力沿AC方向向外,如图3中所示.
  点评 :(1)用“假设法”判断物体间有无形变是一种行之有效的方法.(2)图3属于三角形支架(三力杆)问题,无论AB杆和AC杆与竖直墙壁组成什么样的三角形,只要两杆的质量不计(即轻杆),则上方的杆总是对A点施加沿杆方向的拉力(此杆可用绳子代替).正下方的杆总是对A点施加沿杆方向的支持力(此杆不可用绳子代替).
  4.刚性物体的弹力
  刚性物体产生的弹力可以是压力也可以是支持力,方向都是垂直于接触面而指向受力物体.但物体之间的接触面又有平面与平面、平面与曲面、点与平面、点与曲面、曲面与曲面等多种类型.其中平面产生的弹力垂直于平面,曲面产生的弹力垂直于曲面接触处的切面,物体对某一点产生的弹力垂直于跟该点接触的平面或曲面的切面.可见确定刚性物体弹力的方向,关键是要弄清楚接触处是属何种类型的接触.
  (1)实际上有些情况接触面的性质是比较容易确定的
  例4 画出图4中(a)、(b)图中钢球A受到的弹力的方向.
  图4 图5
  解析:两图中A球与另外物体的接触情况很容易看出是点与曲面、点与点、点与平面的接触,其共同特点都是切点接触,压力或支持力的方向与过切点的切面垂直,所以应该沿球A的半径方向分别作出如图所示的弹力.
  (2)有些情况不容易分辨出接触面的性质,可以采用“滑移法”
  基本思路:此法是假设两物体在接触面发生相对运动,看接触点滑动的轨迹来判断接触面的类型.
  例5 半球形光滑碗内斜放一根筷子,如图5所示.筷子与碗的接触点分别为A、B,试确定碗对筷子A、B两点作用力的方向.
  解析:碗对筷子A、B两点的作用力属于弹力,而接触处的弹力总是垂直于接触面,因而寻找接触面便成为确定弹力方向的关键.在A点处若筷子滑动时,筷子与碗的接触点将在碗的内表面(半球面)上移动,所以在A点处的接触面应该是球面上过该点的切面,此处的弹力应与该面垂直,即指向球心.在B处若筷子移动时,碗与筷子的接触点将在筷子的下表面移动,所以在B点的接触面应是筷子的下表面,此处的弹力应垂直于筷子斜向上.
  2. 根据物体的运动情况,利用平衡条件或动力学的规律来判定
  例6 如图6所示,A、B两木块叠加在一起,以v的初速度斜向上抛出去,不考虑空气阻力,试分析抛出后A、B的受力情况.
  图6
  解析:A、B抛出后,整体只受重力,处于完全失重状态.因此A、B之间没有弹力作用.故A、B只受重力作用.
  在实际中的拉力、压力、支持力性质都是弹力,所以弹力的类型较为广泛,问题也较多.但总是“有章可循”、“有法可依”的,并且这些方法与技巧也是以后学习中经常用到的很重要的思想和手段.同学们只要经过细心的揣摩和精心领会,就不会再有“弹力呢究竟指向何方?”的感叹与无奈了.
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