平衡力和二力平衡

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  一、物体的平衡状态和二力平衡概念
  1.物体的平衡状态一个物体在几个力的作用下处于静止或匀速直线运动状态,我们就说这个物体处于平衡状态.这时它所受到的几个力就是平衡力.也就是说判断物体是否处于平衡状态就看物体是否静止或做匀速直线运动.例如静止在水平桌面上的墨水瓶,吊在天花板上静止的吊灯,站在匀速直线运动扶梯上的人,匀速直线下降的跳伞运动员,做匀速直线运动的汽车等,它们都处于平衡状态.
  2.二力平衡的概念一个物体在两个力的作用下,保持静止或匀速直线运动状态,我们就说这两个力互相平衡,简称二力平衡.如图1、2、3中,静止在水平桌面上的墨水瓶受到重力和支持力,吊在天花板上静止的吊灯受到重力和绳的拉力,匀速直线下降的跳伞运动员受到重力和降落伞对他的拉力,他们受到的这两个力就是一对平衡力.
  
  
  二、探究二力平衡的条件
  如图4,是探究二力平衡条件的一种常见实验设计.
  实验目的:探究二力平衡条件
  实验器材:轻质卡片、细绳、钩码、滑轮
  研究对象:轻质卡片
  受力分析:轻质卡片自身的重力可以忽略不计,竖直方向可认为不受力,现在卡片只受到水平方向上的两个力的作用.
  实验过程:将两边分别挂上不同数量的钩码,轻质卡片不能平衡,说明二力平衡的两个力必须大小相等;把两侧的钩码挂在同一侧,卡片不能平衡,说明二力平衡必须方向相反;把卡片转过一个角度,然后再松手,卡片将旋转,说明二力平衡必须作用在同一条直线上;再设想若将卡片从中间一分为二,卡片将向两侧分开,说明二力平衡必须作用在同一物体上.
  实验结论:二力平衡的条件是作用在同一物体上的两个力大小相等、方向相反,且作用在同一直线上.
  实验分析:这个实验中的卡片也可以换成一辆小车或木块,但应该将它们放在一个非常光滑的水平台面上,这是因为小车或木块的自重不能忽略,必须有水平台面给予它们支持.这时在水平方向上除了两端细绳的拉力外,还存在摩擦力,这会对实验产生影响,所以应该采用非常光滑的表面,这样摩擦力可以忽略不计,物体在水平方向上就只受到两个力的作用了.
  二力平衡的四个条件必须同时满足,只要有一个条件不满足,这两个力就不能平衡.反之,如果两个力是平衡力,则它们一定满足这四个条件.比如:作用在同一物体上的两个力,它们的三要素完全相同,那么这两个力一定是平衡力.这个说法对不对呢?仔细思考一下就知道这个说法不对.因为这两个力的三要素相同包括方向相同,这不满足方向相反的平衡条件,所以这两个力一定不是平衡力.
  三、物体受平衡力作用时怎样运动
  如图5所示,在弹簧测力计下方挂100g钩码,让弹簧测力计按下列要求运动,观察弹簧测力计的示数,分析钩码在不同受力情况下的运动状态.
  
  
  1.保持静止,观察弹簧测力计的示数等于钩码的重力,这时钩码受到一对平衡力作用,说明物体受平衡力作用时可以处于静止状态.
  2.将钩码以不同方向和不同速度做匀速直线运动,观察可知,此时钩码的重力和弹簧测力计对钩码的拉力仍是一对平衡力,说明物体受平衡力作用时也可以处于匀速直线运动状态,并且可以在不同方向以不同的速度做匀速直线运动.有的同学认为物体匀速上升时拉力一定大于重力,物体匀速下降时拉力一定小于重力,通过这个实验可知这种认识是错误的.
  3.将钩码加速上升或加速向下运动,观察到钩码的重力和弹簧测力计对钩码的拉力大小不再相等,不满足平衡条件,这说明物体受到的力不平衡时,不能保持静止或匀速直线运动状态.
  结论:物体受平衡力时,将保持静止或保持匀速直线运动状态.静止的物体受平衡力,仍然保持静止;运动的物体受平衡力,保持匀速直线运动.
  四、平衡力和相互作用力的区别
  下面我们用一个实例来说明这两个概念的异同.如图6所示,用弹簧测力计拉动水平桌面上的物体,使其水平向右做匀速直线运动.此时木块受到四个力的作用,分别是重力G、桌面的支持力F支、弹簧测力计的拉力F1和桌面给它的摩擦力f.同时还有两个力,一个是物体对桌面的压力F压,另一个是物体拉弹簧测力计的力F2.仔细辨别一下,F1和F2以及F支和F压这两对力属于相互作用力,它们大小相等,方向相反,作用在同一条直线上,但作用在不同的物体上.重力G和支持力F支以及拉力F1和摩擦力f这两对力属于平衡力.它们大小相等,方向相反,作用在同一条直线上,而且作用在同一个物体上.可见平衡力和相互作用力的共同点是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上.主要区别在是否作用在同一个物体上.如果作用在同一物体上,就是平衡力;若作用在不同物体上,则为相互作用力.如果两个力大小不相等,或者方向不相反,或者不在同一直线上,那么两个力既不是平衡力也不是相互作用力.如重力G和拉力F1(不在同一直线上),F压和重力G(力的方向相同)就属于这种情形.
  例物体重10N,现用水平推力F=20N的力将物体压在竖直的墙壁上,如图7所示,物体在竖直墙壁上匀速下滑,则物体受到墙面的摩擦力大小和方向是().
  A.10N,竖直向上B.10N,竖直向下
  C.20N,竖直向上D.20N,竖直向下
  解析物体在竖直的墙壁上匀速下滑处于平衡状态,所以在竖直方向上受到的重力和摩擦力是一对平衡力,它们大小相等,方向相反,作用在一条直线上,重力为10N,方向竖直向下,所以摩擦力的大小一定为10N,方向竖直向上.应选A.
  
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