共點(diǎn)力作用下平衡條件的靈活運(yùn)用,是體現(xiàn)考生能力的一個(gè)重要方面,備受命題專家青睞.若一個(gè)物體在三個(gè)力的共同作用下處于平衡,則這三個(gè)力必然交于一點(diǎn)(或延長(zhǎng)交于一點(diǎn)),用此法判斷方向不易確定的那個(gè)力,有利于在考場(chǎng)上快速?zèng)Q策,簡(jiǎn)便求解.
【典例呈現(xiàn)】
如圖1所示,木板AB的重力不計(jì),A端用鉸鏈與墻壁連接,木板與墻壁間的夾角為30°,圓柱體重為G, D是AB的中點(diǎn),若各觸點(diǎn)的摩擦均不計(jì),求木板A端所受的作用力?
解析:如圖2所示,先以圓柱體為研究對(duì)象,它在重力G、板的彈力N1和墻的彈力N2共同作用下處于平衡態(tài),由 ,知N1= 2 G.
再以板為對(duì)象,它受繩的拉力T、圓柱體的彈力和鉸鏈的作用力F而平衡,則此必然交匯于一點(diǎn),如圖3中的點(diǎn)O,故
,代入
N1==2G,得.
【解法探究】
物體在三個(gè)力的作用下平衡,在對(duì)物體進(jìn)行受力分析后不易確定某個(gè)力(已知兩個(gè)力的情況下畫(huà)第三個(gè)力),或建立直角坐標(biāo)系不好直接求解時(shí)常用三力交匯原理來(lái)處理較為簡(jiǎn)單,即三力作用下的平衡物其所受三力必交于一點(diǎn).此類問(wèn)題求解時(shí)一般是在對(duì)物體進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上,沿各力的作用點(diǎn)畫(huà)出其作用線,找出兩個(gè)力的交點(diǎn),再根據(jù)題意判斷第三個(gè)力的作用點(diǎn)或力的作用線,最后依據(jù)交匯原理讓第三個(gè)力必過(guò)前兩個(gè)力的交點(diǎn)來(lái)判斷,隨后作出物體的受力示意圖,再建立坐標(biāo)系正交分解或用拉密原理進(jìn)行求解.此法即可用于定性分析,也可用于定量計(jì)算,下面給出三個(gè)變式,引導(dǎo)大家掌握此類問(wèn)題的求解思路.
【變式拓展】
變式1:定性分析力的作用點(diǎn)問(wèn)題
如圖4所示,已知一根一端粗一端細(xì)的木棒其重心就在物體上,現(xiàn)用兩根繩子拉著懸掛起來(lái),試找出物體重心的位置?
簡(jiǎn)析:由于木棒受重力和兩根繩子的拉力而處于平衡態(tài),則此三力必交于一點(diǎn),因此延長(zhǎng)T1和T2,過(guò)交點(diǎn)處作豎直向下的力,如圖5所示,即為重力G,重力的作用線與木棒的交點(diǎn)即為物體重心的位置.
點(diǎn)評(píng):對(duì)于定性分析力的作用線問(wèn)題,如盛飯的碗內(nèi)斜放著一根筷子靜止時(shí)重力的作用點(diǎn)就不好確定,用三力交匯原理就非常簡(jiǎn)捷.三力交匯平衡時(shí),若確定了兩個(gè)力,則第三個(gè)力也一定能確定.
變式2:確定力的作用線問(wèn)題
如圖6所示,重為G的均質(zhì)桿一端放在粗糙的水平面上,另一端系在一條水平繩上,桿與水平面成角.已知水平繩的張力大小為T,求地面對(duì)桿下端的作用力.
簡(jiǎn)析:設(shè)地面對(duì)桿的作用力為F,因桿在重力G、繩的張力T和F作用下平衡,此三力必交匯于一點(diǎn),其受力圖如圖7所示.
又地面對(duì)桿的作用力實(shí)際有兩個(gè)效果,即地面有豎直向上的支持力N和水平向右的摩擦力f,平衡時(shí)有N = G和T = f成立,故,合力與水平方向的夾角滿
足,故.
點(diǎn)評(píng):交匯原理也適用于一些簡(jiǎn)單的定量計(jì)算,如地面上的電線桿打上斜拉線后達(dá)到平衡時(shí),可先作出地面對(duì)桿的作用力的圖示,然后即可直接從幾何關(guān)系上看出力的作用線與某已知力的夾角.
變式3:定量計(jì)算某個(gè)力
圖8左圖中輕桿AB的一端插入豎直墻內(nèi),一根輕繩繞過(guò)摩擦不計(jì)的輕質(zhì)滑輪后懸掛一個(gè)質(zhì)量為m的重物而靜止,右圖中AB的一端固定在鉸鏈上,輕繩懸掛相同的重物m而靜止,靜止時(shí)兩桿都水平,BC繩與桿的夾角都為30°,則左圖中桿對(duì)滑輪的作用力為 ,右圖中桿對(duì)結(jié)點(diǎn)的作用為 .
簡(jiǎn)析:不少同學(xué)認(rèn)為兩種情況作用力一樣,因繩內(nèi)的張力處處相同恒為物重mg,由兩繩間夾角為120°,推知作用力都與水平面成30°斜向上,大小為mg.
因桿的連接方式不同,所施作用力也不同.左圖中插入桿可施任意方向的作用力,其結(jié)果就是上述解法,而右圖中鉸鏈桿只能施加水平向右的彈力,此時(shí)BC張力的一個(gè)分力與mg相平衡,另一個(gè)分力與桿的彈力相平衡,故桿的作用力為 mg.
點(diǎn)評(píng):本題是一道信息模型題,應(yīng)從二者的細(xì)微差別上判斷出是兩個(gè)不同的模型,即桿的作用力的方向是不一樣的,運(yùn)用不同的規(guī)律進(jìn)行求解.
總之,對(duì)于平衡態(tài)下不易確定的那個(gè)力,運(yùn)用交匯原理,可快速?zèng)Q策.備考時(shí)只要深刻領(lǐng)悟平衡條件的奧妙,平時(shí)多觀察、勤練習(xí),靈活運(yùn)用交匯原理處理,就一定會(huì)熟能生巧,輕松應(yīng)對(duì)高考.