动态再平衡策略可以实现的效果包括 [例谈平衡问题的求解策略]

  平衡问题是高中物理的重点与难点,共点力作用下物体平衡的特征是合力为零,即∑F=0。若采用正交分解法,则平衡条件应为∑F=0,∑F=0。若采用平移串联法,则将力平移首尾相接应能组成一个封闭的图形。本文以一例三解来阐述平衡问题的解决策略。
  例:如图所示,不计滑轮摩擦,A、B两物体均处于静止状态。现加一水平力F作用在B上使B缓慢右移,试分析B受力的变化情况。
  解法一:正交分解法
  对物体B进行受力分析,建立如图所示直角坐标系。
  在x轴上有:∑F=F-(f+T•cosθ)=0①
  在y轴上有:∑F=N+T•sinθ-G=0②
  其中:T=G,f=μN③
  联立①②③得:
  F=μG+G(cosθ-μsinθ)
  因为B缓慢右移,θ不断变小,所以F将不断增大。
  解后语:物体受到三个以上力的作用而平衡时,常用正交分解法列平衡方程求解:∑F=0,∑F=0,为方便计算,建立直角坐标系时应以尽可能多的力坐落在坐标轴上为原则。
  解法二:三角形法
  对物体B受力分析如图所示:
  将同一直线上的共线力优先合成,则物体B的等效受力图即变为:
  此时,物体B的平衡变为三力平衡,采用三角形法,如图所示:
  此图中,T大小不变(等于G),但方向在变,随着B的右移,T趋向水平,其动态变化过程如下图:
  此过程中,①(G-N)在减小,说明N在增大,则f增大。
  ②(F-f)在增大,因为f增大,所以F增大。
  解后语:对于受三力作用而平衡的物体,将力矢量平移首尾相接使三力组成一个封闭的力三角形,进而处理物体平衡问题的方法叫做三角形法。这样解三力平衡问题就变成解三角形。三角函数、正弦定理、三角形相似等是解三角形常用的技能。三角形法在处理动态平衡问题时简捷、直观、容易判断。本解法同时表明,常用的三角形法未必要求物体只受三个力,其实,只要物体的受力中容易合成的力优先合成之后,剩下的等效受力为三个,即可采用三角形法。
  解法三:多边形法
  物体B受力分析如图所示,将其中f与N合成为P(如图):
  P与N夹角α的正切:
  tanα==μ
  表明:α只与μ有关,为定值,则α为定值,即f与N合力的方向是确定的。
  这样,物体B的等效受力即变为四个力,四力平衡将四个力首尾相接组成一个闭合的多边形。
  因为T大小不变,但方向随着B的右移而趋向水平,在这个动态变化的过程中,显然可见,F在增大。
  解后语:多边形法是三角形法的延伸,它们统属于平移串联法,当物体受三个以上力作用而平衡时,亦可用多边形法解决平衡问题。本解法就是一个示例。
  综上所述,力的正交分解法与平移串联法是解决共点力平衡问题的主流方案。本文通过举例说明了两种方案各自的优越性,同时也反映了两种方案的兼容性,在解决具体问题时应当灵活选择解决方案。
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