黃尚鵬

(湖北省監(jiān)利縣朱河中學(xué) 湖北 荊州 433325)

題目:如圖1所示，相同的兩個(gè)勻質(zhì)光滑球O1和球O2懸在結(jié)于定點(diǎn)O的兩根長(zhǎng)度都為l的輕繩上，此兩球同時(shí)又支持一個(gè)等重的勻質(zhì)光滑球O3.已知3個(gè)球的半徑都為r，質(zhì)量都為m，整個(gè)系統(tǒng)平衡時(shí)，兩根輕繩與豎直方向的夾角都為α，O1O3和O2O3與豎直方向的夾角都為β，試證明:

(1)tanβ=3tanα；

圖1

解法一：我們知道如果一個(gè)力所做的功與具體路徑無(wú)關(guān)，這種力叫做保守力.在保守力場(chǎng)中，保守力所做的功等于勢(shì)能的減少.保守力學(xué)體系處于平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)勢(shì)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)為零的原理，可得出系統(tǒng)在保守力以及約束力等作用下的平衡位置，因此本題可用能量的觀點(diǎn)求解，解法如下.

本題中的α和β是確定系統(tǒng)位置的兩個(gè)獨(dú)立變量，系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)可用這兩個(gè)獨(dú)立變量表示.由于要對(duì)任意的α和β，寫出系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)，故α和β確定以前，不能認(rèn)為兩輕繩的方向分別通過(guò)O1和O2，而應(yīng)該從α和β相互獨(dú)立各為任意值開始分析，畫出的部分幾何圖形如圖2所示.

圖2

選懸掛點(diǎn)O所在的水平面為重力勢(shì)能參考面，則系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)

Ep=-2mgOB-mgOO3=

-2mg(OA+AB)-mg(OA+AB-O3B)=

-3mg(OA+AB)+mgO3B=

+2mgrcosβ

(1)

(2)

由式(1)、(2)知

(3)

由式(3)知

2rsinβ-lsinα>0

tanβ=3tanα

(4)

由式(3)、(4)知

tanα·3tanα=tanα·tanβ=

(5)

由式(5)解得

2rsinβ-lsinα=rsinα

即

證畢.

解法二：若不用能量的觀點(diǎn)求解本題，如圖3所示.

圖3

對(duì)球O1，根據(jù)三力匯交原理，輕繩的方向應(yīng)通過(guò)O1，在ΔOO1O3中，由正弦定理，得

即得結(jié)論.

設(shè)3個(gè)球間的彈力為FN，輕繩的拉力為T.對(duì)球O3，由3力平衡，得

mg=2FNcosβ

(6)

對(duì)球O1，在垂直于拉力的方向上，由平衡條件，得

mgsinα=FNsin(β-α)

(7)

由(6)、(7)兩式，消去FN，有

2sinαcosβ=sin(β-α)=

sinβcosα-cosβsinα?tanβ=3tanα

對(duì)本題的深入思考:考慮到本題實(shí)際，α和β并不能無(wú)限接近于零，因?yàn)橛蓭缀侮P(guān)系知

即有β≥30°，等號(hào)成立的條件是球O1和球O2也相切.但當(dāng)β=30°時(shí)，3個(gè)球兩兩相切，此時(shí)要求輕繩與球O3相交，如圖4所示，這顯然不符合實(shí)際，故要使整個(gè)系統(tǒng)能夠在某位置處于平衡狀態(tài)，考慮到本題實(shí)際，還需要求兩根輕繩不能與球O3相交，即要求O3到輕繩的距離

d≥r

(8)

圖4

由幾何關(guān)系，知

d=2rsin(β-α)

(9)

由(8)、(9)兩式，得

(10)

令β-α=θ(θ≥30°)，則

β=α+θ

由

tanβ=3tanα

得

tan(α+θ)=3tanα

即

整理得

3tanθtan2α-2tanα+tanθ=0

(11)

式(11)是關(guān)于tanα的一元二次方程，方程有解的條件是判別式Δ≥0，即

Δ=(-2)2-4×3tanθ×tanθ≥0

解得

即

θ≤30°

故

β-α≤30°

(12)

由(10)、(12)兩式，知

θ=β-α=30°

將θ=30°代入式(11)，解得

即

α=30° 故

β=α+θ=60°

再由

得

此即要使整個(gè)系統(tǒng)能夠在某位置平衡，繩長(zhǎng)l和半徑r必須滿足的關(guān)系，若不滿足這個(gè)關(guān)系，則系統(tǒng)在任何位置都不能平衡，或者即使理論上可能平衡，也要求輕繩與球O3相交，但這不符合實(shí)際.因此，本題中系統(tǒng)平衡的位置是唯一確定的，該系統(tǒng)平衡時(shí)，兩根輕繩恰好與球O3相切，如圖5所示.

圖3

參考文獻(xiàn)

1 何海明.電荷擺球平衡問(wèn)題的陷阱.中學(xué)物理教學(xué)參考,2013(11)：52～53

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)高等數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)導(dǎo)論·上冊(cè)(第3版).合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2007.123～126

3 周衍柏.理論力學(xué)教程(第2版).北京:高等教育出版社,1986.286～287