黃峻嵩

(沈陽(yáng)市120中1班，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

物理“平衡”概念的理解

黃峻嵩

(沈陽(yáng)市120中1班，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

高中生在理解平衡這一概念時(shí)會(huì)出現(xiàn)不少的問(wèn)題和疑惑，下面以靜止?fàn)顟B(tài)的物體是不是都平衡為例談?wù)勎矬w的平衡狀態(tài).

平衡；靜止；摩擦力；狀態(tài)

對(duì)于“平衡”這一物理學(xué)中的重要概念，在一般的教科書中均有明確的表述.例如，對(duì)于不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的物體的平衡狀態(tài)，新編高中教材中是這樣定義的：“物體處于靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)叫做平衡狀態(tài)”(見(jiàn)高中物理…).然而，按照這個(gè)定義，高中生在理解平衡這一概念的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)不少的問(wèn)題和疑惑，因?yàn)榕c平衡狀態(tài)相聯(lián)系的物理概念特別多，譬如相對(duì)運(yùn)動(dòng)、瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)和參照系的變換等等.下面僅以靜止?fàn)顟B(tài)的物體是不是都平衡為例談?wù)勎矬w的平衡狀態(tài).

一、相對(duì)靜止的物體

圖1

一個(gè)物體如果靜止不動(dòng)，按照物理教材的定義，我們一般認(rèn)為該物體處于平衡狀態(tài).然而，實(shí)際分析顯示并不完全是這樣.例如，在水平路面上有一輛沿弧形軌道勻速率前進(jìn)的火車(示意圖參見(jiàn)圖1)，在車廂內(nèi)的小桌上有一靜止的木塊.對(duì)于坐在火車?yán)锏挠^察者來(lái)說(shuō)，木塊是靜止不動(dòng)的，按照“平衡”定義，該木塊處于平衡狀態(tài).其實(shí)這種靜止只是相對(duì)于小桌跟觀察者來(lái)說(shuō)的，實(shí)際上它和小桌一樣在做勻速圓周運(yùn)動(dòng).這時(shí)木塊所受的合外力顯然不等于零，而是等于木塊的質(zhì)量與向心加速度的乘積，即：

ΣFma(公式1)

很顯然，這個(gè)合外力就等于水平桌面給木塊的靜摩擦力f，受力分析如圖1.

圖2

與此類似，一個(gè)小球放置于加速上升的升降機(jī)中(見(jiàn)圖2)，對(duì)于升降機(jī)內(nèi)的觀察者來(lái)說(shuō)，小球靜止，似乎處于“平衡”狀態(tài).由受力分析可知，升降機(jī)的地板給小球向上的彈力N大于它本身所受的重力G，合外力不等于零.小球并不處于平衡狀態(tài).

二、相對(duì)地面靜止的物體

相對(duì)地面靜止的物體是不是就一定處于平衡狀態(tài)呢？也不全是.例如物體的豎直上拋運(yùn)動(dòng).一個(gè)物體在做豎直上拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，速度值會(huì)越來(lái)越小，當(dāng)上升到最高位置時(shí)，速度變?yōu)榱?這個(gè)速度是相對(duì)于地面的，也就是說(shuō)，上拋物體升至最高點(diǎn)時(shí)，相對(duì)于地面是靜止的.然而，這時(shí)物體并沒(méi)有處于平衡狀態(tài).這時(shí)物體的速度雖然等于零，但重力加速度并不等于零，而是等于重力加速度g.根據(jù)物體的平衡條件可知，處于平衡狀態(tài)的物體所受合外力為零，加速度也必然等于零.但是，速度與加速度卻沒(méi)有什么必然的聯(lián)系，速度為零的物體加速度可不一定等于零.所以，對(duì)地面靜止的物體完全可能有加速度，也就是可以不平衡.

三、一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)地面均靜止的物體

瞬時(shí)速度為零的物體可能仍有加速度，也就是可能不平衡，那么在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)于地面均靜止的物體是不是就一定平衡呢？這要看對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)情況是怎么認(rèn)識(shí)的.

例如，同步人造地球衛(wèi)星相對(duì)于地面來(lái)說(shuō)是靜止不動(dòng)的，而且這種靜止可以相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間.但是因?yàn)檫@時(shí)我們認(rèn)為地球在自轉(zhuǎn)，所以相對(duì)于地球靜止的衛(wèi)星必然在做圓周運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖3).這樣，人造衛(wèi)星所受的合外力不能等于零，也就是不是處于平衡狀態(tài).

圖3

一般情況下，我們?cè)谘芯康孛嫔系奈矬w運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是忽略不計(jì)的，這樣在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)于地面均靜止的物體，才可以說(shuō)是處于平衡狀態(tài)的.而在研究衛(wèi)星等天體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就不能忽略了.

四、處于平衡位置的物體

圖4

做振動(dòng)的物體都有一個(gè)所謂的平衡位置.顧名思義，物體在振動(dòng)到這一位置的時(shí)候處于平衡狀態(tài)，但是實(shí)際情況也不全是這樣的.例如，一個(gè)單擺的擺球在擺到平衡位置的時(shí)候，雖然擺球在水平方向上的加速度等于零，但是它卻有一個(gè)豎直方向的向心加速度.所以這時(shí)單擺給它的拉力T大于它受到的重力G，合力不等于零，擺球并沒(méi)有處于平衡狀態(tài)(圖4).這時(shí)說(shuō)擺球處于平衡位置是不恰當(dāng)?shù)?

對(duì)于理想的彈簧振子來(lái)說(shuō)，如果振子所受的阻力為零.做簡(jiǎn)諧振動(dòng)(見(jiàn)圖5)，那么在平衡位置處的振子所受的合外力等于零，加速度等于零，振子是處于平衡狀態(tài)的.但是，對(duì)于必須考慮地面摩擦的彈簧振子來(lái)說(shuō)(如圖6)，在豎直方向上振子處于平衡狀態(tài)，合力為零.而在水平方向上，振子受到一個(gè)恒定的摩擦力作用(忽略空氣阻力)，摩擦力的方向跟物體運(yùn)動(dòng)的方向恰好相反，因此我們說(shuō)，在平衡位置處的振子同樣也不是處于平衡狀態(tài)的.

圖5

圖6

綜上所述，當(dāng)物體處于靜止或者相對(duì)靜止時(shí)，要確定其是否處于平衡狀態(tài)，要做具體的受力分析.如果物理的合力不為零，物體并不處于平衡狀態(tài).只有當(dāng)物體的合力為零時(shí)，我們才可以說(shuō)物體處于平衡狀態(tài).

[1]冷建軍. 兩個(gè)物體受力分析[J]. 數(shù)理化學(xué)習(xí). 2011(09).

[2]靳大鵬. 求解共點(diǎn)力平衡問(wèn)題幾種主要方法[J]. 中學(xué)生數(shù)理化：高考版. 2012(07).

G632

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1008-0333(2017)22-0062-02

2017-06-01

黃峻嵩(2000-9-26)，男，漢族，遼寧省本溪市人，在校學(xué)生.

責(zé)任編輯：閆久毅]