力物体的平衡典型例题

处于共点力作用下物体平衡的分析及求解 湖南衡东欧阳遇实验中学 阳其保 421411 一：共点力作用下的平衡状态 ：1两种状态： A:静止，B:匀速直线运动2：两个基本特征：A:运动学特征：速度为 0或速度不变。B:动力学特征：物体所受的合外力为 0,（即平衡条件）二:求解共点力平衡的基本步骤:1:正确画出受力分析图。受力分析方法：A:整体法和隔离法（区分内力和外力）B:假设法。（判定弹力、摩擦力的有无和方向）2：合理建立坐标系，对不在坐标轴上的力进行分解3:利用力的分解和合成求合力，列平衡方程。4:解方程。三:求解共点力平衡的基本方法:1:力的正交分解法:此方法适用于三个以上共点力作用下物体的平衡，注意合理选取 坐标系，尽可能使落在坐标轴上的力多一些，被分解的力尽可能是已知力，不宜分解待求力。2:力的合成、分解法:对于三力平衡，可根据结论:“任意两个力的合力与第三个力等大反向”，借助几何知识求解。对于多个力的平衡，可利用先分解再合成的正交分解法。3:矢量三角形法:物体受同一平面内三个互不平行的力作用下平衡时，这三个力的矢 量箭头首尾相接， 构成一个矢量三角形， 利用三角形法， 根据正弦定理、 余弦定理或相似三角 形等数学知识求得未知力。此种方法直观、简便，但它仅适于三力平衡。4:相似三角形法:即找一个与矢量三角形相似的三角形，利用几何知识求解。5:正弦定理法:三力平衡时，三个力可构成一封闭的三角形，若由题设条件寻找到角 度关系，则可用正弦定理列式求解。四:平衡问题中的临界与极值问题。1:临界状态:是从一种物理现象转变为另一种物理现象，或从一物理过程转入到另一 物理过程的转折状态。临界状态也可理解为“恰好出现”和“恰好不出现”某种现象的状态。常见的临界状态有:A:两接触物体脱离与不脱离的临界条件是相互作用力为0（主要体现为两物体间的弹力为 0）,B:绳子断与不断的临界条件为作用力达到最大值，弯与不弯的临界条件为作用力为0；C:靠摩擦力连接的物体间发生相对滑动或相对静止的临界条件为摩擦力达到最大。研究的基本思维方法:采用假设推理法。2:极值问题:是指研究平衡问题过程中某物理量变化时出现的最大值或最小值,中学物 理的极值问题可分为简单极值问题和极值条件问题,区分的依据就是是否受附加条件限制。处理极值问题的两种基本方法:A :解析法:根据物体的平衡条件列方程,通过数学求极值的方法求极值。思维严谨,但有时运算量比较大,相对来说较复杂。B:图解法：即根据物体的平衡条件作出力的矢量三角形，然后由图进行动态分析，确定最大值和最小值。此法简便、直观。通常可利用几何极值原理：如图：三角形一条边a的大小和方向都确定，另一条边b只能确定其方向(即 a、b间的夹角B角确定)，欲求第三边的最小值，则必有 c垂直于b,b且 c=asin B。例1(2003年全国高考卷 W题)如图所示，一个半球形aA:仝 B:二 C D:3322的碗放在桌面上，碗口水平，0点为其球心，碗的内表 面及碗口是光滑的。一根细线跨在碗口上，线的两端分 别系有质量为 mi和m2的小球，当它们处于平衡状态时, 质量为 mi的小球与0点的连线与水平线的夹角为a =60 两小球的质量比 m2/mi为解军析：本题若采用整体法，因为绳与碗口处的弹力未知无 法得解，故应该用隔离法.对m2进行受力分析可知 T=m2g, 对mi进行受力分析，如图所示.由几何知识有：9=/2由共点力的平衡条件得Tcos(a /2)+N cos(a /2)=migTcosa =N cosa解得:m2/m 1 =正确答案：(A)点评：本题的解题关键是利用正交分解法列平衡方程，正交分解法解物体的平衡是基本 方法，必须熟练掌握.例2 .三根不可伸长的相同的轻绳，一端系在半 径为r。的圆环i上，彼此间距相等，绳穿过半径也为 r0的圆环2，另一端同样等间距地系在半径为2ro的圆环3上，三个圆环环面平行.环心在同一竖直线上， 如图所示环i固定在水平面上，整个系统处于平衡 状态，试求第2个环中心与第3个环中心之间的距离 (三个环都是用相同的金属丝制作的，摩擦不计).解军：由于对称，三根轻绳中张力相同，设为T，如右图所示，若环2重为G,则可得环3的重力为2G，对环2、3整体平衡有 3T=G+2G 即有：T=G隔离环3,由平衡条件得：3TsinB =2G贝U: sin 0 =2/3即: d/ r； d22/3所以环2、3间间距d2 5ro5点评：本题虽为全俄竞赛题，物理情景有所变换，但处理的方法仍是基本的隔离法与整体 法的应用，注意在利用整体法时，系统内力与外力的区别，同时，因避开了系统的内力，使得 解题更合理，更简便。是解物体平衡的常用方法。例3.如图所示，三角形木块放在倾角为0的斜面上，若木块与 斜面问动摩擦因数卩 tan 0,则无论作用在木块上竖直向下的外力 多大，木块都不会滑动，这种现象叫做“自锁”试证明之.证明：当F作用在物体上时，物体所受外力沿斜面向下的分力为 ：(F+mg)si n0 假设物体下滑，则沿斜面向上的滑动摩擦力为 ：(F+mg) cos0由卩 tan 0 可得 i (F+mg) cos (F+mg) sin 0即物体所受的滑动摩擦力总大于物体沿斜面向下的分力,所以物体不会滑动，出现自锁”现象点评：本题是假设法在解物体平衡中临界问题的应用，解题的关键是能否找出物体滑 动的临界条件：沿斜面向下的分力大于滑动摩擦力，并能巧用假设法列出相应的关系式。例4：如图所示，把一个球放在 AB和CD两个与纸面垂 直的光滑板之间，保持静止，AB板固定不动，与水平面间的夹角为a, CD板与AB板活动连接，CD板可绕通过D点 的并垂直于纸面的轴转动，在0角缓慢地由0增大到90 的过程中，AB板和CD板对球的支持力的大小如何变化？ 解法一 :正交分解法：球的受力如右图所示，球在重力G、AB板的支持力F1、CD板的支持力F2这三个力作用下保持平衡，利用几何关 系知F1与竖直线夹角为a，巨与竖直线夹角为0,根据平 行四边形定则，将 R、F2分解为水平、竖直方向的分力， 则由平衡条件有：F1sin a =F2sin 0F1cos a +F2COS 0 =G联立以上两式得：Fi=G/ ( cos a +sin a cot 0)F2=Gsin a /sin (a + 0)故当a定、0由0逐渐增大到90的过程中，因cot 0减小，故Fi 一直增大，当a + 0 =90时，si n （ a + 0）最大为1，故F2最小值为Gsin a,所以F2先减小后增大。F?解法二：图解法：如右图所示，根据平行四边形法则，作出Fi、F2的合力F,由平衡条件可知，F与G等大反向。在a角一 定，F方向竖直向上的情况下选取平行四边形的一半， 可得一矢量三角形，当0由 0增大到90的过程中， 由图可知，Fi 一直增大，F2先减小后增大，当 a +0 =90, 即CD板垂直AB板时，F2最小，且F2min=Gsin a点评：在用解析法和图解法求解物体平衡中有关力的变 化中，图解法能直观反映各力的变化情况，而解析法通常要涉及三角函数的知识， 相对较为复杂，在定性判定力的变化 时宜采用图解法。例5如图（I）所示，一根轻绳上端固定在 0点，下端拴一个重为 G的钢球，球处于静止状态.现对球施加一个方向向右的外力F，使球缓慢偏移，在移动中的每一个时刻， 都可以认为是处于平衡状态.如果外力F方向始终水平，最大值为2G，在此过程中，轻绳拉力 T的大 小的取值范围是 .在图（H ）中画出T与cos0的函数关系图象.解军：钢球受重力 G、绳拉力T、及水平向右的外力 F 作用下处于平衡状态，所以有：F=Gta n0 ，所以：0W0W arcta n2即：-5 cos 15又因为：T=G/cos0则有：G T.5G ，Tcos 0图象如右图所示。又因为：002分别表示两边绳的拉力、长度以及绳与水平面之间的夹角.因为绳与滑轮之间的接触是光滑的，故有:Fti 一- Ft2=Ft由水平方向的平衡可知Ft cos 0 i=Ftcos0 2, 即 0 i= 0 2= 0由题意与几何关系可知：Li+L2=2s （OA距离设为s） Li cos0 +L2COS0 =s 由 式得 COS0 =1/20 =60 由竖直方向力的平衡可知2Ft sin0 =mg，所以 Ft=mg3km点评：本题应注意隐含条件的挖掘，即同一段绳中各处的张力 相同（不计重力），然后由对称性进行求解，此结论一定是记住。例8：如图所示，物体的质量为 2 kg，两根轻绳AB和AC-端连接于竖直墙上，另一端系于物体上，在物体上另施加一个方向与水平线成0=60大小范围（g=10m/s2）解:作出A受力图，如力所示，由平衡条件得：Fsin 0 +T1sin 0 -mg=0的拉力F，若要使绳都能伸直，求拉力 F的Fcos 0 -T2-T1COS 0 =0由以上两式可得：F= mg/ sin B -TiF=T2/2cos0 + mg/2 sin 0要使两绳都能绷直，则有Ti 0, T2 0所以 F有最大值：Fmax= mg/ sin 0 = 40 一 3 / 3N最小值：Fmin= mg/2 sin 0 =20 3/3N即有 20、3/3N 卩N即满足：tan 0卩0 arctan卩点评：本题为物体平衡在实际生活中的应用，与 现代高科技紧密相关。现代物理教学中倡导的“科学、技术、社会” （STS教育的思想，正是试图培养未来人才正确的科学思想，提高人类的科 学素质，关注当前社会热点问题，要求学生根据自己的知识对热点问题进行思考，做出判断， 这将有助于学生形成科学的民主意识，科学决策能力及正确的价值伦理观念，也正是物理教学中最终要达到的目标之一。专题一：平衡类问题（I ）2006.3.1【考点分析】主讲：陈益富1、要熟练掌握重力、弹力、摩擦力以及电场力、安培力（洛仑兹力）的性质和特点，能 利用共点力平衡条件解题。2、对力的处理方法主要是利用平行四边形法则（三角形法则）和正交分解法；对研究对 象的处理方法主要是利用整体法和隔离法。【知识要点】1、共点力平衡状态及条件：静止或匀速直线运动状态都称为平衡状态，处在平衡状态的 物体所受合外力一定为 0。即所有外力在任意一个方向上的投影的代数和为 0。2、整体法和隔离法：合理选择研究对象是研究力学问题的关键，有时选择一个物体为研 究对象分析较为烦琐，但选用整个系统作为研究对象却简洁明了，整体法的优点是未知量少， 方程数少，求解简捷一一原则： 先整体后隔离思路点拨本专题内容高考涉及的主要是三力平衡，往往以选择填空为主，在电场磁场中带电粒子及导体的平衡计算题出现较多。近几年考查在运动中受变力（如f=kx，f=kv、f=Kv2）出现的变化过程和稳定状态（平衡态）较为频繁，应引起足够的重视。【解题指导】一、静力学中的平衡问题： 运动状态未发生改变，即 a 0，表现：静止或匀速直线运动1、二力平衡：2、三力平衡：任何两力的合力为第三个力的平衡力一个重力为 mg的小环套在竖直的半径为 r的光滑大圆环自然长度为L（ L2r）弹簧的一端固定在小环上，另一端例一、如图1-3所示，一个重力为r 上，一劲度系数为 k,自然长度为 固定在大圆环的最高点A。当小环青的摩擦。求弹簧与竖直方向之间的夹角A。当小环静止时，略去弹簧的自重和小环与大圆环间0?例二、如图所示，一个重量为G的物体，被悬挂后，要对物体施加一个大小一定的作用力F（F小于G）,使物体在某一位置重新获得平衡，若不计悬线的质量，求悬线与竖直方向的最大夹角？3、多力平衡：正交分解法例三：质量为m=5kg的物体置于一粗糙的斜面上，用一平行于斜面的大小为30N的力F推物体,使物体沿斜面向上匀速运动，斜面体的质量M=10Kg,且始终保持静止,g=10m/s2,求地面对斜面体 的摩擦力f和地面对斜面体的支持力N .八练：如图所示，质量为m=1kg的物体置于一斜面体的光滑斜面上 用一大小为10N的水平力F推物体，使物体和斜面一起沿水平面 向右匀速运动，斜面体的质量M=4kg,求：(1) 斜面的倾角a ；(2) 斜面体底面和水平面间的动摩擦因数例四：质量为 m的物体置于动摩擦因数为的水平面上，现对它施加一个拉力，使它做匀速 直线运动，问拉力与水平方向成多大夹角时这个力最小?专题一：平衡类问题(II )2006.3.2主讲：陈益富二、动态收尾平衡冋题：例：如图所示，AB、CD是两根足够长的固定平行金属导轨，两导轨间距离为I，导轨平面与水平面的夹角为 。空间有竖直向上的匀强磁场，磁感强度为 B。在导轨的A、C端连接一个 阻值为R的电阻。一根垂直于导轨放置的金属棒 ab，质量为m，从静止开始沿导轨下滑。求ab棒的最大速度。(已知ab和导轨间的动摩擦因数为，导轨和金属棒的电阻不计)在摆运动中“平衡位置”为速度最大的位置但非处于平衡状态例：质量为 m、电量为+q的单摆球用长为I的细线悬挂处于平衡状态，现空间突然加一水平 匀强电场，摆球摆起的最大偏角为0,则场强E=?三、在电场、磁场中的平衡例一：匀强电场方向向右，匀强磁场方向垂直于纸面向里，一质量为m带电量为q的微粒以速度v与磁场垂直、与电场成 45?角射入复合场中，恰能做匀速直线运动，求电场强度E的大小，磁感强度B的大小。例二、如图。倾角为0的绝缘斜面上放一质量为m，电量为+q的小滑块，与斜面间动摩擦系数为（卩 0）,空间有垂直斜面的匀强磁场 方向？B,则滑块在斜面上运动到稳定时的速度大小和小球沿杆下滑的加速度为重力加速度的二分之一，则四、动中有静，静中有动问题例一、如图所示，质量为 M的木箱放在水平面上，木箱中的立杆上着一个质量为m的小球,开始时小球在杆的顶端， 由静止释放后， 在小球下滑的过程中，木箱对地面的压力为例二、质量为 m，电量为+q的小球从0点以Vo沿与水平成30方向射出，运动中除重力外还受与Vo方向相反的F作用，（1）若F=mg，要球做匀速直线运动，则可加一匀强电场，求场强 的大小和方向？（ 2）若F=2mg且E=v3mg/q，仍要球沿Vo方向做直线运动，则场强的方向如 何？并求小球沿 V。方向运动的最大位移和回到O点的时间？*如图，电荷+Qi、平衡，不计球重力,+Q2分别置于 则 B与Qi、