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        利用“輔助圓”巧解一類動態(tài)平衡問題

        2017-03-31 17:00:53彭立君
        物理教學探討 2016年12期
        關(guān)鍵詞:動態(tài)平衡

        彭立君

        摘 要:三力動態(tài)平衡問題中有一類利用“輔助圓”判斷力大小變化的題型,在各類資料中少有涉及;而且此類問題不用“輔助圓”判斷,往往解說不清晰,文章就此類問題提出解決的思路方法。

        關(guān)鍵詞:動態(tài)平衡;輔助圓;力的動態(tài)變化

        中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2016)12-0046-2

        三力動態(tài)平衡分析是中學物理中常見的問題,一般采用力合成后的矢量三角形來分析,常用到相似三角形或者點線間的距離關(guān)系來判斷力大小的變化。其中,有一類問題可利用“輔助圓”來清晰判斷力的動態(tài)變化,此法在解題中常常被忽視。下面舉例來說明:

        例1 如圖1所示,圓弧形貨架上擺著4個完全相同的光滑小球,O為圓心。則對圓弧面的壓力最小的是( )

        A.a球 B.b球

        C.c球 D.d球

        書后參考答案:A選項。

        解析 小球?qū)A弧面的壓力大小等于球的重力沿斜面向下的分力mgsinθ,θ為斜面與豎直面的夾角。顯然a球?qū)A弧面的壓力最小。

        選項A是正確的答案,但真如解析所說:“小球?qū)A弧面的壓力大小等于球的重力沿斜面向下的分力mgsinθ”嗎?把圖中小球放大后,分析受力如圖2所示。其中,F(xiàn)A1和FA2對應(yīng)擋板在A點時圓弧面和擋板對球的支持力,從圖中可以看出,F(xiàn)A1和FA2并不是互相垂直的。顯然,參考答案中的解析是錯誤的。有什么辦法解決此類問題呢?現(xiàn)取擋板在圖中A、B兩點時分析受力,并把FA1和FA2、FB1和FB2各自獨立合成后再來分析。

        如圖2所示,F(xiàn)B1和FB2對應(yīng)擋板在B點時圓弧面和擋板對球的支持力。在圖中∠FA2O'FA1與∠FB2O'FB1是相等的,即圖中α、β角是相等的,故四點F、O'、FA1、FB1共圓。去掉圖中其他線條,作出四點所在圓如圖3所示。注意擋板最低能夠擺放到豎直位置,即擋板對球的支持力F2不能轉(zhuǎn)到水平位置。由圖3可知,當擋板逆時針轉(zhuǎn)動時,點O'在圓周沿FA1向FB1方向移動,其中圓弧對球的支持力不能指向四點確定的圓的直徑方向,故圓弧對球的支持力不斷增大,擋板對球的支持力不斷減小。

        練習:如圖4所示,置于地面的矩形框架中用兩細繩拴住質(zhì)量為m的小球,繩B水平。設(shè)繩A、B對球的拉力大小分別為F1、F2,它們的合力大小為F?,F(xiàn)將框架在豎直平面內(nèi)繞左下端緩慢旋轉(zhuǎn)90 °,在此過程中( )

        A.F1先增大后減小 B.F2先增大后減小

        C.F先增大后減小 D.F先減小后增大

        提示:轉(zhuǎn)動過程中兩線夾角不變,形成類似例題1中的四點共圓情形。

        例2 如圖5所示,直桿BC的一端用鉸鏈固定于豎直墻壁,另一端固定一個小滑輪C,細繩下端掛一重物,細繩的AC段水平。不計直桿、滑輪及細繩的質(zhì)量,忽略所有摩擦。若將細繩的端點A稍向下移至A′點,使之重新平衡,則此時滑輪C的位置( )

        A.在AA′之間 B.與A′點等高

        C.在A′點之下 D.在A點之上

        題后參考答案:D選項。

        解析 由于桿一直平衡,兩根細繩對桿的拉力的合力沿桿的方向向下;又由于同一根輕質(zhì)繩子中的張力處處相等,而且兩根細繩的拉力大小相等且等于物體的重力G,根據(jù)平行四邊形定則,合力一定在角平分線上。若將細繩的端點A稍向下移至A′點,若桿不動,則∠A′CB<∠BCG,則不能平衡。若要桿再次平衡,兩繩的合力一定還要在角平分線上,所以BC桿應(yīng)向上轉(zhuǎn)動一定的角度,此時C在A點之上。

        顯然,參考答案中的解析不能做到清晰明了。如果引進“輔助圓”,則解答會變得一目了然。C點總在以B為圓心、BC為半徑的圓上,如圖6所示。其中,BC線總是∠ACG的角平分線。根據(jù)這個特點,我們可以作出各點位置關(guān)系如圖7所示,P和P'關(guān)于BC所在直徑對稱,直觀可見,C的位置將在A點之上。

        練習:如圖8所示,絕緣細線下面懸掛一質(zhì)量為m、長為l的導線,導線置于方向豎直向下、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中。當在導線中通以垂直紙面向里的恒定電流I時,絕緣細線偏離豎直方向θ角而靜止?,F(xiàn)將磁場方向由圖示方向沿逆時針方向緩慢轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動時保持磁感應(yīng)強度的大小不變,則在磁場旋轉(zhuǎn)90 °的過程中,下列說法正確的是( )

        A.導線受到的安培力F逐漸變大

        B.絕緣細線的拉力FT逐漸變大

        C.絕緣細線與豎直方向的夾角θ先增大后減小

        D.導線受到的安培力F與絕緣細線的拉力FT的合力大小不變,方向隨磁場的方向而改變

        (提示:安培力大小不變,安培力矢量端點構(gòu)成圓。)

        由此可見,利用作“輔助圓”的方法來求解此類動態(tài)平衡問題,解答將變得清晰明了,一目了然,不失為一種解決此類問題的簡捷方法?!拜o助圓”分析是解決動態(tài)平衡問題的方法的一個有效補充。

        (欄目編輯 陳 潔)

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