力、 物体的平衡

2019-12-04 21:34:46

【教学结构】

本章学习重点是:

1.重力、弹力、摩擦力的特点,能正确分析物体受力。当物体移动的范围不大时,物体的重力常被看作恒力。弹力的大小和方向和物体的运动情况,物体受到其他力的情况有关,条件变了,弹力往往也变。因此在分析物体的弹力时,不能随意将某些现成结论用上。例如某物体对斜面的压力不一定等于mgcosα,悬线对某物体的拉力不一定等于mg。分析物体受到的摩擦力时,一定要区分静摩擦力和滑动摩擦力。当两物体仅有相对运动趋势时出现的摩擦力叫静摩擦力,它和物体的运动情况、受力情况有关,运动情况变了,其他力变了,静摩擦力的大小和方向也会变化。运动的物体也会受静摩擦力。对于滑动摩擦力,有f=μN,其中N是物体接触面上的压力,请注意只有压力和物体的重力相等时才有f=μmg,这只是特殊情况。

2.力的分析与合成,平行四边形定则,三角形定则。合力、分力是等效概念。是将某几个力合成,还是将某个力分解,是根据具体问题由力的效果或解题的需要决定。平行四边形定则是力的合成、分解或矢量的合成、分解的法则,由它可以演变出三角形定则。

3.物体静止或匀速运动的状

态叫平衡状态。物体平衡的必要

条件是力的矢量和为零,简称

合力为在分析处于平衡状态

物体的受力情况时,通常有

以下几步:

(1)找一个或几个物体作为研究对象,分析它的受力。选某个物体还是把几个物体当整体作研究对象,是由解题需要决定的。选取研究对象的原则是:既要“暴露”待求量,又要减少未知量。

(2)找出研究对象受哪些力,各力的大小和方向如何(其中有已知的,有未知的),画出力的示意图。

(3)进行力的合成或分解。当物体受三力而平衡时,可以将力正交分解在两个互相垂直的方向上(正交分解法)或将其中两个力合成(合成法),在许多情况下,后者更方便。当物体受三个以上力而平衡时,常采用正交分解法。

(4)运用平衡条件做判断或列方程求解。如果用正交分解法,则在坐标轴(分解力的方向)方向的力为零;如果用合成法,则某两个力的合力必与第三个力平衡,所有已知力、未知力的关系都在平行四边形或三角形中。

4.力矩、有固定转轴物体的平衡。轴(定点)到力的作用线的距离叫力臂,用L表示。力与力臂的乘积叫力矩:M=FL。有固定转轴物体的平衡条件是顺时针力矩等于逆时针力矩,或合力矩为零。

【解题点要】

一、三力平衡

物体受三力作用而平衡时,往往用合成法较方便;当其中一个力变化时,弹力往往随之变化。

例1 如图所示,球在平板AB和AC的支持下平衡,

不计摩擦。在平板AB不动,AC平板缓慢放平即

β从60°增大到120°的过程中,两

板受到的压

力如何变化?

分析和解答 球受三个力:重力G、AB板的支持

力NB,AC板的支持力NC,如图A所示。用三角形

定则做出NB、NC的

合力F,它必与G

等值反向,即NB、NC、G三个力

一定构成三角形。由题意可知这是等边三角形,

NB=NC=G。当AC板逐渐放平时,NB方向不变,NC

方向逐渐顺时针方向转,重力恒定不变,

而三个力必构成三角形,由图B可知:

NB逐渐减小,NC先增大后减小。

由此可知,AB板受的压力逐渐变小,直至为零;AC板受的压力先增大后减小,最后与重力相等。

点评 虽然改变位置的是AB板,BC板对球的弹力方向不变,但大小却在改变;而AC板的支持力大小和方向都会变化,

由此可见弹力的特点。

例2 如图所示,水平桌面上放有光滑金属

框架A、O、B,框架上套有小环P、Q,

用不可伸长的细绳连接PQ。现在Q上施加

沿OB方向的恒力F,待PQ平衡时,细绳受

的拉力多大?

分析和解答 P在水平方向只受两个力:绳的拉力

和OA杆的支持力,二力平衡必共线,因此绳一定垂直

OA。Q受三个力:恒力F、绳的拉力T、OB杆的支持

力N,三力平衡。由图可知

点评 支持力总垂直于接触面,拉力总沿绳的

方向,由此可以判断P、Q的平衡位置。支持力

和拉力都可以由平衡条件求出。我们再次体

会到弹力的特点。

二、恰当选取研究对象

选取研究对象时,以暴露待求量、减少未知量为原则。有时以某个物体为研究对象,有时以几个物体为整体作研究对象。

例3 如图所示,水平面C上有斜面体B,斜面上放有物块A。当A在斜面上(1)

静止;(2)匀速下滑;(3)在平

行斜面的外力F作用下沿斜面匀速上滑过程中,B始终未

动。已知斜面倾角为α,A质量为m,B质量为M。求在

上述三个过程中C对B的摩擦力。

分析和解答 方法一 以A为对象,在

(1)(2)两种情况下A受力如图甲所示,

三力平衡,支持力N和摩擦力f

的合力R必与重力mg等值反向。由此可知A对

B的作用力(压力与摩擦力的合力)一定竖直向下,B无运动趋势,

所以C对B没有摩擦力。在(3)情况下,A受4个力

平衡,如图乙所示。这时F、f、N三力的合力

竖直向上,而N与f的合力必有向左的水平分力,因此A对B的作用力必有向右

的水平分力,即有向右的运动趋势,故B受到向左的摩擦力f。运用平衡条件可求点f ′=Fcosα。过程较繁,略。

方法二 把A、B作为整体。在(1)情况,整体放在水平面上,没有运动趋势,不受摩擦力。在(2)情况,虽然A匀速运动,但整体没有加速度,本质上与(1)无区别,故摩擦力为零。在(3)情况,整体受F作用而平衡,C对B一定有摩擦力

f作用,且f与F的水平分力平衡,即f=Fcosα

点评 待求力f在B、C接触面上,而A、B之间的相互作用力未知,所以用整体法比较简单。

例4 如图所示,光滑的两个球直径均为d,置于

一个直径为D的圆柱形桶中,且d<D<2d,在桶与球

接触的A、B、C三点上,桶受到的压力大小分别为F1、

F2和F3。如果将桶的直径加大,但仍小于2d,则F1、F2、

F3的变化情况是

A.F1增大,F2不变,F3增大 B.F1减小,F2不变,F3减小

C.F1增大,F2减小,F3增大 D.F1增大,F2减小,F3减小

分析和解答 把两球作为整体考虑,可知B点对球

的支持力等于两球重力,所以F2不变;A、C对球的支

持力相等,所以F1=F3。C、D错。隔离一球,如C球,受

力如左图,由平衡条件F3′=F3=mgctgθ,当D增大时θ

减小,所以F3增大。

选A。

三、摩擦力

一定要区分静摩擦力和滑动摩擦力。要正确判断摩擦力,应恰当选取研究对象。

例5 如图所示,A、B两物体的质量分别为M、m,A、B一起沿固定的、倾角为α的斜面C匀速下滑,求C

对A的摩擦力f1和B对A的摩擦力f2。已知A、B间和A、C间的动摩擦因数分别μ1、μ2。

分析和解答 把A、B作为整体考虑,它沿斜面匀速下滑,C对A的摩擦力是滑动摩擦力。由平衡条件可知N=(m+M)gcosθ,f1=μ2N=μ2 (m+M)g。隔离B,B受A的摩擦力f2是静摩擦力,由平衡条件可知f2= f2=mgsinα

【课余思考】

1.细杆和细绳对物体施加的弹力有何不同?

2.物体在平衡状态时,它所受到的力一定是共点力吗?

【同步练习】

1.如图所示,用三根线吊起一个重球,AO、BO两

线等长。现将B端解下,移动B端直至线OB呈水平,保持

O点位置不变。在上述移动过程中两线的拉力FA和FB的变

化情况是

A.FA增大,FB减小 B.FA增大,FB增大

C.FA增大,FB先减小后增大 D.FA不变,FB先减小后增大

2.将一重球悬挂在一根光滑细绳上,细绳系于两根

直杆的A、B两点,此时绳的拉力为F。将B端绳解下,稍

微向上移一点,至B′处,当重球重新平衡时,绳的拉力

为F′,则

A.F=F′ B.F>F′ C.F<F′ D.不能确定

3.如图所示,滑块A、B通过定滑轮相连,置于水平面上。A与B、B与平面之间的动摩擦因数均为0.1,A、B的质量分别为2kg、3kg,今用

水平力F作用于物体B上,使B物体向右匀速运动,不计

滑轮与绳之间的摩擦。求F的大小。

4.如图所示,三个相同的球互相接触放在粗糙水平

地面上,三个球之间的摩擦力可忽略不计。设每个球的

质量都是m,球与地面之间的摩擦因数为μ,求地面对球

的摩擦力。

参考答案:1.D 2.A 3.9N 4.mg,左、右两球受摩擦力分别向右、向左。

【单元点评】

本章是力学的基础,学习本章的关键是学会根据具体条件正确隔离研究对象,运用力的合成与分解及平衡条件正确分析物体的受力情况。掌握分析方法,为今后各章打基础是最重要的。