潘紅光

（河南省清華附中鄭州學(xué)校，河南 鄭州 450018）

物體平衡的種類分為：穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡、隨遇平衡.對(duì)受到重力和支持力作用而平衡的物體，判斷其平衡種類時(shí)，?？捎弥匦纳捣?即若使物體稍微偏離平衡位置，如其重心升高，則為穩(wěn)定平衡；若物體稍微偏離平衡位置后其重心降低，則為不穩(wěn)定性平衡；若物體稍微偏離平衡位置后其重心高度不變，則為隨遇平衡.［1］處于穩(wěn)定平衡的物體的重力勢(shì)能為極小值，處于不穩(wěn)定平衡的物體的重力勢(shì)能為極大值，處于隨遇平衡的物體的重力勢(shì)能為不變.總的來說，對(duì)受到重力和支持力作用而平衡的物體，其重力勢(shì)能的導(dǎo)數(shù)為0.本文以2018年4月浙江省普通高校招生選考科目考試中的第13題為例題，介紹能量角度解決部分受力分析問題.

例1.如圖1所示，一根繩的兩端分別固定在兩座猴山的A、B處，A、B兩點(diǎn)水平距離為16m，豎直距離為2m，A、B間繩長(zhǎng)為20m.質(zhì)量為10kg的猴子抓住套在繩上的滑環(huán)從B處滑到A處.以B點(diǎn)所在水平面為參考平面，猴子在滑行過程中重力勢(shì)能最小值約為

圖1

解析：猴子在滑行過程中重力勢(shì)能最小值的位置，為猴子能夠保持靜止，即受力平衡的位置.令該點(diǎn)為C點(diǎn)，兩根繩子與豎直方向的夾角均是α，AC=L1，BC=L2，總的繩長(zhǎng)為L(zhǎng)，則有L1+L2=20m，L1sinα+L2sinα=16m，L2cosα-L1cosα=2m，Ep=-mgL2cosα，聯(lián)立可得Ep=-7.5×102J，但是由于猴子重心的高度略低于C點(diǎn)，則重力勢(shì)能最小值約為-7.5×102J.

接下來我們從能量的角度解決下面兩個(gè)受力分析問題.

圖2

習(xí)題1.截面為長(zhǎng)方形的中空“方鋼”固定在水平地面上，截面一邊與水平面夾角為30°，如圖2所示，方鋼內(nèi)表面光滑，輕質(zhì)細(xì)桿兩端分別固定質(zhì)量為mA和mB的兩個(gè)小球A和B，已知小球、輕桿和橫截面共面，當(dāng)輕質(zhì)細(xì)桿與地面平行時(shí)兩個(gè)小球恰好靜止，則A、B兩個(gè)小球質(zhì)量之比為解析：如圖3所示，令桿長(zhǎng)為L(zhǎng)，輕桿與長(zhǎng)方形一邊的夾角為θ，以水平地面為零勢(shì)能面，則以A、B兩個(gè)小球?yàn)橄到y(tǒng)的總重力勢(shì)能為Ep=mAgLcosθsin30°+mBgLsinθcos30°，則重力勢(shì)能的導(dǎo)數(shù)Ep′=-mAgLsinθsin30°+mBgLcosθcos30°.

圖3

當(dāng)輕質(zhì)細(xì)桿與地面平行時(shí)兩個(gè)小球恰好靜止，即當(dāng)θ=30°時(shí)，E′p=-mAgLsin30°sin30°+mgLcos30°cos30°=0，即，故（B）選項(xiàng)正確.

習(xí)題2.如圖4所示，兩個(gè)可視為質(zhì)點(diǎn)的小球a和b，用質(zhì)量可忽略的剛性細(xì)桿并放置在光滑的半2倍，當(dāng)兩球處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，細(xì)桿與水平面的夾角θ=15°，則小球a和b的質(zhì)量之比為球面內(nèi).已知細(xì)桿長(zhǎng)度是球半徑的■倍，則半徑aO和bO與細(xì)桿的夾角均為45°，取過O點(diǎn)的水平面為零勢(shì)能面，令小球a和b的質(zhì)量分別為

圖4

解析：由于細(xì)桿長(zhǎng)度是球半徑的ma和mb.則以小球a和b為系統(tǒng)的總重力勢(shì)能為Ep=-magRsin（45°+θ）-mbgRsin（45°-θ），則重力勢(shì)能的導(dǎo)數(shù)Ep′=-magRcos（45°+θ）+mbgRcos（45°-θ），當(dāng)兩球處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，細(xì)桿與水平面的夾角θ=15°，則Ep′=-magRcos（45°+15°）+mbgRcos（45°-15°）=0，則故（B）選項(xiàng)正確.