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        對(duì)高考物理中有關(guān)動(dòng)態(tài)平衡問題的探討

        2018-03-16 20:29:26王啟平
        物理教學(xué)探討 2018年2期
        關(guān)鍵詞:圖解法動(dòng)態(tài)平衡

        王啟平

        摘 要:以高考真題為例,對(duì)常見的動(dòng)態(tài)平衡問題進(jìn)行分類闡述和探討,并提出了應(yīng)對(duì)方案。

        關(guān)鍵詞:動(dòng)態(tài)平衡;解析法;圖解法;三角形相似法

        中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2018)2-0044-2

        近些年的高考物理題中經(jīng)常會(huì)考查動(dòng)態(tài)平衡問題,所謂動(dòng)態(tài)平衡問題是指通過緩慢改變某個(gè)角度或者使物體緩慢移動(dòng)的一類平衡問題。下面就常見的幾種類型進(jìn)行探討。

        1 解析法

        通過受力分析,根據(jù)平衡條件解出各個(gè)力的數(shù)學(xué)表達(dá)式,通過數(shù)學(xué)表達(dá)式研究其變化規(guī)律。

        例1 (2016年全國新課標(biāo)卷14題)質(zhì)量為m的物體用輕繩AB懸掛于天花板上,用水平向左的力F緩慢拉動(dòng)繩的中點(diǎn)O,如圖1所示。用T表示繩OA段拉力的大小,在O點(diǎn)向左移動(dòng)的過程中( )

        A. F逐漸變大, T逐漸變大

        B. F逐漸變大, T逐漸變小

        C. F逐漸變小, T逐漸變大

        D. F逐漸變小, T逐漸變小

        解析 對(duì)節(jié)點(diǎn)O受力分析如圖2所示。設(shè)繩子OA與豎直方向的夾角為θ,節(jié)點(diǎn)O受到三個(gè)力的作用,分別為F、T、mg。將T進(jìn)行分解,根據(jù)平衡條件得:Tcosθ=mg,Tsinθ=F。在O點(diǎn)向左移動(dòng)的過程中,θ逐漸變大,可知T逐漸變大,F(xiàn)逐漸變大,答案為A選項(xiàng)。對(duì)于較為復(fù)雜的類型就要考慮其他方法了。

        2 圖解法

        一般用在物體受三個(gè)力的情況,其中有一個(gè)力是恒力(比如重力),還得有一個(gè)力的方向固定。利用三力平衡,任意兩個(gè)力的合力都與第三個(gè)力等大反向,作出力的平行四邊形,轉(zhuǎn)化為三角形定則,從圖形中可形象地看出力的變化情況,優(yōu)點(diǎn)是形象明了。

        例2 (2013年天津卷5題)如圖3所示,小球用細(xì)繩系住,繩的另一端固定于O點(diǎn)。現(xiàn)用水平力F緩慢推動(dòng)斜面體,小球在斜面上無摩擦地滑動(dòng),細(xì)繩始終處于直線狀態(tài)。當(dāng)小球升到接近斜面頂端時(shí)細(xì)繩接近水平,此過程中斜面對(duì)小球的支持力FN以及繩對(duì)小球的拉力FT的變化情況是( )

        A. FN保持不變,F(xiàn)T不斷增大

        B. FN不斷增大,F(xiàn)T不斷減小

        C. FN保持不變,F(xiàn)T先增大后減小

        D. FN不斷增大,F(xiàn)T先減小后增大

        解析 小球受力分析如圖4所示。根據(jù)三力平衡,任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力等大反向,可知支持力和拉力的合力F'與重力mg等大反向。F'、FT、FN三個(gè)力構(gòu)成三角形,其中F'的特點(diǎn)是大小固定、方向固定,F(xiàn)N的特點(diǎn)是方向固定。這樣就可以利用圖解法形象地看出FN不斷增大,F(xiàn)T先減小后增大,答案為D選項(xiàng)。

        說明:有時(shí)四力動(dòng)態(tài)平衡問題也可以轉(zhuǎn)化為三力動(dòng)態(tài)平衡問題。

        例3 如圖5所示,放在粗糙水平地面上的物體受到與水平方向成θ角且斜向上的力F的作用,做勻速直線運(yùn)動(dòng)?,F(xiàn)使θ角從0°逐漸增大到90°,此過程中物體始終在水平面上勻速運(yùn)動(dòng),則力F是如何變化的?

        解析 對(duì)物體受力分析如圖6所示,其中F'為f和FN的合力,φ為F'與豎直方向的夾角,且滿足tanφ===μ,為一定值。我們用f和FN的合力F'來代替f和FN,在效果上物體就成了受三力而平衡。且mg為恒力,F(xiàn)'的方向是定的,這樣就可以用圖解法來研究力F是如何變化的了。如圖7所示,F(xiàn)''為F'和F的合力,與mg等大反向。通過圖像很明顯地看出力F的變化情況為先減小后增大。如果用解析法就不太方便了。

        例4 (2017年全國卷21題)如圖8所示,柔軟輕繩ON的一端O固定,其中間某點(diǎn)M拴一重物,用手拉住繩的另一端N。初始時(shí),OM豎直且MN被拉直,OM與MN之間的夾角為α(α>)?,F(xiàn)將重物向右上方緩慢拉起,并保持夾角不變。在OM由豎直被拉到水平的過程中( )

        A. MN上的張力逐漸增大

        B. MN上的張力先增大后減小

        C. OM上的張力逐漸增大

        D. OM上的張力先增大后減小

        解析 對(duì)小球受力分析如圖9所示,其中F為FOM和FMN的合力,與mg等大反向。θ為α的補(bǔ)角,由于α不變,故θ也保持不變。根據(jù)圖9中的三角形,結(jié)合圓周角定理作圖10,可看出MN上的張力逐漸增大,OM上的張力先增大后減小,答案為A、D選項(xiàng)。

        3 相似三角形法

        一般用于三力平衡中,其中有一個(gè)力為恒力,另外兩個(gè)力的方向都變化,且夾角也發(fā)生變化的情景。

        例5 如圖11所示,輕桿可以繞軸在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),A點(diǎn)掛一重物。另將一根輕繩系在A點(diǎn)并繞過光滑的滑輪施加力F,當(dāng)θ角由銳角逐漸增大到直角的過程中,力F和輕桿對(duì)A點(diǎn)的作用力FN是如何變化的?

        解析 對(duì)節(jié)點(diǎn)A受力分析如圖12所示。其中,F(xiàn)'為F和FN的合力,與T等大反向。力的三角形和長度的三角形AOB相似,有==,==,可知FN不變,F(xiàn)變小。

        解決動(dòng)態(tài)平衡問題的時(shí)候要搞清楚問題是哪種類型,不同的題型有不同的解決辦法。要具體問題具體分析,有的放矢,才能做到以靜制動(dòng),以不變應(yīng)萬變。

        (欄目編輯 陳 潔)

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