2019-2020年高中物理 力學提升 專題03 處理平衡問題的常用方法.doc
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2019-2020年高中物理 力學提升 專題03 處理平衡問題的常用方法 【專題概述】 1 處理平衡問題的常用方法 方法 內容 合成法 物體受三個共點力的作用而平衡，則任意兩個力的合力一定與第三個力大小相等，方向相反 分解法 物體受三個共點力的作用而平衡，將某一個力按力的效果分解，則其分力和其他兩個力滿足平衡條件 正交分解法 物體受到三個或三個以上力的作用時，將物體所受的力分解為相互垂直的兩組，每組力都滿足平衡條件 力的三角形法 對受三力作用而平衡的物體，將力的矢量圖平移使三力組成一個首尾依次相接的矢量三角形，根據(jù)正弦定理、余弦定理或相似三角形等數(shù)學知識求解未知力 2．一般解題步驟 (1)選取研究對象：根據(jù)題目要求，選取一個平衡體(單個物體或系統(tǒng)，也可以是結點)作為研究對象． (2)畫受力示意圖：對研究對象進行受力分析，畫出受力示意圖． (3)正交分解：選取合適的方向建立直角坐標系，將所受各力正交分解． (4)列方程求解：根據(jù)平衡條件列出平衡方程，解平衡方程，對結果進行討論． 3．應注意的兩個問題 (1)物體受三個力平衡時，利用力的分解法或合成法比較簡單． (2)解平衡問題建立坐標系時應使盡可能多的力與坐標軸重合，需要分解的力盡可能少．物體受四個以上的力作用時一般要采用正交分解法 【典例精講】 方法1 直角三角形法 用直角三角法解答平衡問題是常用的數(shù)學方法，在直角三角形中可以利用勾股定理、正弦函數(shù)、余弦函數(shù)等數(shù)學知識求解某一個力，若力的合成的平行四邊形為菱形，可利用菱形的對角線互相垂直平分的特點進行求解． 【典例1】如圖所示，石拱橋的正中央有一質量為m的對稱楔形石塊，側面與豎直方向的夾角為α，重力加速度為g，若接觸面間的摩擦力忽略不計，則石塊側面所受彈力的大小為 A. B. C.mgtan α D.mgcot α 【答案】 A 直角三角形，且∠OCD為α，則由mg＝FNsin α可得FN＝，故A正確． 方法2 相似三角形法 物體受到三個共點力的作用而處于平衡狀態(tài)，畫出其中任意兩個力的合力與第三個力等值反向的平行四邊形中，可能有力三角形與題設圖中的幾何三角形相似，進而得到力三角形與幾何三角形對應邊成比例，根據(jù)比值便可計算出未知力的大小與方向． 【典例2】 如圖所示，一個重為G的小球套在豎直放置的半徑為R的光滑圓環(huán)上，一個勁度系數(shù)為k，自然長度為L(L<2R)的輕質彈簧，一端與小球相連，另一端固定在圓環(huán)的最高點，求小球處于靜止狀態(tài)時，彈簧與豎直方向的夾角φ. 【答案】arccos 【解析】對小球B受力分析如圖所示，由幾何關系有△AOB∽△CDB， 【典例3】如圖所示，不計重力的輕桿OP能以O點為圓心在豎直平面內自由轉動，P端用輕繩PB掛一重物，而另一根輕繩通過滑輪系住P端．在力F的作用下，當桿OP和豎直方向的夾角α(0＜α＜π)緩慢增大時，力F的大小應( ) A．恒定不變 B．逐漸增大 C．逐漸減小 D．先增大后減小 【答案】B 【解析】 由三角形相似得：＝，F(xiàn)＝mg，α逐漸增大，即PQ增大，由上式知F逐漸增大，B正確． 方法3：正弦定理法 三力平衡時，三力合力為零．三個力可構成一個封閉三角形，若由題設條件尋找到角度關系，則可由正弦定理列式求解． 【典例4】一盞電燈重力為G，懸于天花板上A點，在電線O處系一細線OB，使電線OA與豎直方向的夾角為β＝30，如圖所示． 現(xiàn)保持β角不變，緩慢調整OB方向至OB線上拉力最小為止，此時OB與水平方向的夾角α等于多少？最小拉力是多少？ 【答案】30 【解析】對電燈受力分析如圖所示，據(jù)三力平衡特點可知：OA、OB對O點的作用力TA、TB的合力T與G等大反向，即T＝G① 【名師點評】 相似三角形法和正弦定理法都屬于數(shù)學解斜三角形法，只是已知條件不同而已．若已知三角形的邊關系選用相似三角形法，已知三角形的角關系，選用正弦定理法． 【典例5】如圖所示，質量為m的小球置于傾角為30的光滑斜面上，勁度系數(shù)為k的輕質彈簧一端系在小球上，另一端固定在墻上的P點，小球靜止時，彈簧與豎直方向的夾角為30，則彈簧的伸長量為( ) A. B. C. D. 【答案】 C 物體受三個共面非平行外力作用而平衡時，這三個力必為共點力． 【典例6】 如圖所示，重為G的均勻鏈條掛在等高的兩鉤上，鏈條懸掛處與水平方向成θ角，試求： (1) 鏈條兩端的張力大?。? (2) 鏈條最低處的張力大?。? 【答案】(1) (2) 【解析】(1)整個鏈條受三個力作用而處于靜止，這三個力必為共點力，由對稱性可知，鏈條兩端受力必大小相等，受力分析如圖甲． 由平衡條件得：2Fsin θ＝G F＝. (2)在求鏈條最低處張力時，可將鏈條一分為二，取一半鏈條為研究對象．受力分析如圖乙所示，由平衡條件得水平方向所受力為 F′＝Fcos θ＝cos θ＝cot θ. 方法5：圖解法 【典例7】如圖所示，用一根長為l的細繩一端固定在O點，另一端懸掛質量為m的小球A，為使細繩與豎直方向成30角且繃緊，小球A處于靜止，對小球施加的最小的力是 ( )． A．mg B．mg C．mg D．mg 【答案】C 【典例8】如圖所示，小球用細繩系住，繩的另一端固定于O點．現(xiàn)用水平力F緩慢推動斜面體，小球在斜面上無摩擦地滑動，細繩始終處于直線狀態(tài)，當小球升到接近斜面頂端時細繩接近水平，此過程中斜面對小球的支持力FN以及繩對小球的拉力FT的變化情況是 ( )． A．FN保持不變，F(xiàn)T不斷增大 B．FN不斷增大，F(xiàn)T不斷減小 C．FN保持不變，F(xiàn)T先增大后減小 D．FN不斷增大，F(xiàn)T先減小后增大 【答案】D 【總結提升】 1直角三角形分析物體動態(tài)平衡問題時,一般物體只受三個力作用,且其中三個力的方向都沒有發(fā)生變化，并且所構成的三角形是一個直角三角形，此時就可以用直角三角形解平衡了。 2 圖解法的適用情況 圖解法分析物體動態(tài)平衡問題時,一般物體只受三個力作用,且其中一個力大小、方向均不變,另一個力的方向不變,第三個力大小、方向均變化。 (3)用力的矢量三角形分析力的最小值問題的規(guī)律: ①若已知F合的方向、大小及一個分力F1的方向,則另一分力F2的最小值的條件為F1⊥F2; ②若已知F合的方向及一個分力F1的大小、方向,則另一分力F2的最小值的條件為F2⊥F合。 動態(tài)平衡類問題的特征:通過控制某些物理量,使物體的狀態(tài)發(fā)生緩慢的變化,而在這個過程中物體又始終處于一系列的平衡狀態(tài),在問題的描述中常用“緩慢”等語言敘述。 3相似三角形分析動態(tài)平衡問題時,一般物體只受三個力作用,且其中一個力大小、方向均不變,另外兩個力的方向都在發(fā)生變化，此時就適合選擇形式三角形來解題 了 4 正弦定理分析物體的平衡時，基本上會出現(xiàn)物體旋轉的問題這時候就可以用正弦定理來解題了 【專練提升】 1．如圖所示，水平地面上處于伸直狀態(tài)的輕繩一端拴在質量為m的物塊上，另一端拴在固定于B點的木樁上．用彈簧測力計的光滑掛鉤緩慢拉繩，彈簧測力計始終與地面平行．物塊在水平拉力作用下緩慢滑動．當物塊滑動至A位置，∠AOB＝120時，彈簧測力計的示數(shù)為F.則 ( )． A．物塊與地面間的動摩擦因數(shù)為 B．木樁受到繩的拉力始終大于F C．彈簧測力計的拉力保持不變 D．彈簧測力計的拉力一直增大 【答案】AD 2、如圖所示，兩球A、B用勁度系數(shù)為k1的輕彈簧相連，球B用長為L的細繩懸于O點，球A固定在O點正下方，且OA之間的距離恰為L，系統(tǒng)平衡時繩子所受的拉力為F1.現(xiàn)把A、B間的彈簧換成勁度系數(shù)為k2的輕彈簧，仍使系統(tǒng)平衡，此時繩子所受的拉力為F2，則F1與F2的大小之間的關系為( ) A．F1>F2 B．F1＝F2 C．F1
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