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所谓动态平衡问题,就是要控制某一物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,而在这一过程中物体又处于一系列平衡状态,在历年的高考中,动态平衡问题是多次出现,而学生却找不到解决问题的方法,做题效率低,错解和误解现象较多。下面我们把动态平衡问题归纳为用以下二种常见的方法来分析,以帮助学生解决问题。
一、解析法
对研究对象在发生动态平衡过程中的任一状态进行受力分析,建立平衡方程,求出因变量与自变量的函数关系,然后根据自变量的变化情況来确定因变量的变化。这一类的题可分为两类,一类是所受动中,一个力确定,另一个力只有方可可定,大小不定,第三个力大小,方向都不可定。
例1:如图所示是用来粉刷墙壁的涂料滚的示意图,使用时,用撑竿推着涂料滚沿墙壁上下滚动,把涂料均匀地粉刷到墙壁上,撑竿的重量和墙壁的摩擦均不计,而且撑竿足够长,粉刷工人站在离墙壁某一距离处缓缓上推涂料滚,使撑竿与墙壁问的夹角越来越小,设该过程中撑竿对涤料滚的推力为F1,涂料滚对墙壁的压力为F2,则下列说法正确的是( )
A.F1增大,F2减小 B.F1减小,F2增大
C.F1.F2均增大 D.F1.F2均减小
解析:以涂料滚为研究对象,受重力、撑竿对涂料滚推力Fl、墙壁对涂料滚的压力F2,由平衡条件可得,Fl与F2的合力与重力构成平衡力,由平行四边形定则和图解法(如图所示)可知[F1=mg/cosθ],[F2=mgtanθ],当[θ]变小时Fl、F2均减小,故选D项,答案:D
第二类是三力中,一力确定,另二力大小、方向地无法确定。
例2:如图所示,绳与杆均不计重力,所承受弹力的最大值一定,A端用铰链固定,滑轮0在A点正上方(滑轮大小及与绳间的摩擦均可忽略),B端吊一重物P。现施拉力FT将B端缓慢上拉(绳、杆均未断),在杆达到竖直前,下列说法中正确的是( )。
A.绳子越来越容易断
B.绳子越来越不容易断
C.杆越来越容易断
D.杆越来越不容易断
解析:对B点进行受力分析如图所示。由相似三角形法知
[FTG=SH得FT=SH?G]
[FNG=LH得FN=LH?G]
由于S不断减小,L、H不变,可知FT减小,FN不变。
故选项B正确。
答案:B
二、图解法
对研究对象进行受力分析,再根据平行四边形定则或三角形法则画出动态变化过程中不同状态下的力的矢量图,然后根据再向线段的长度变化判断各个力的变化情况。
例3在固定于地面的斜面上垂直安放了一个挡板,截面为[14]圆的柱状物体甲放在斜面上,半径与甲相等的光滑圆球乙被夹在甲与挡板之间,乙没有与斜面接触而处于静止状态,如图所示。现在从球心处对甲施加一平行于斜面向下的力F,使甲沿斜面方向缓慢地移动,直至甲与挡板接触为止。设乙对挡板的压力为F1,甲对斜面的压力为F2,在此过程中( )。
A.F1缓慢增大,F2缓慢增大
B.F1缓慢增大,F2缓慢减小
C.F1缓慢减小,F2缓慢增大
D.F1缓慢减小,F2保持不变
解析:对整体,受力如图甲所示,垂直斜面方向只受两个力:甲、乙重力在垂直于斜面方向的分量和斜面支持力[F2′],且[F2′-Gcosθ=0],即[F2′]保持不变,由牛顿第三定律可知,甲对斜面的压力为F2也保持不变;乙的受力分析如图乙、丙所示,当甲缓慢下移时,FN与竖直方向的夹角减小,F1减小。
从以上分析可以看出,若研究对象是一个物体,且受三个力的作用,一力确定,另一力方向定,而第三力是不确定,则用解矢量三角形的方法,尤为简捷直观。若是一力确定,另二力都不完,则应分别作出力的矢量三角形和结构三角形;利用它们的相似性建立函数表达式分析更方便,若对象是一个函流,还应把上述方法和整体法隔离法结合起来分析,才能解决问题。
一、解析法
对研究对象在发生动态平衡过程中的任一状态进行受力分析,建立平衡方程,求出因变量与自变量的函数关系,然后根据自变量的变化情況来确定因变量的变化。这一类的题可分为两类,一类是所受动中,一个力确定,另一个力只有方可可定,大小不定,第三个力大小,方向都不可定。
例1:如图所示是用来粉刷墙壁的涂料滚的示意图,使用时,用撑竿推着涂料滚沿墙壁上下滚动,把涂料均匀地粉刷到墙壁上,撑竿的重量和墙壁的摩擦均不计,而且撑竿足够长,粉刷工人站在离墙壁某一距离处缓缓上推涂料滚,使撑竿与墙壁问的夹角越来越小,设该过程中撑竿对涤料滚的推力为F1,涂料滚对墙壁的压力为F2,则下列说法正确的是( )
A.F1增大,F2减小 B.F1减小,F2增大
C.F1.F2均增大 D.F1.F2均减小
解析:以涂料滚为研究对象,受重力、撑竿对涂料滚推力Fl、墙壁对涂料滚的压力F2,由平衡条件可得,Fl与F2的合力与重力构成平衡力,由平行四边形定则和图解法(如图所示)可知[F1=mg/cosθ],[F2=mgtanθ],当[θ]变小时Fl、F2均减小,故选D项,答案:D
第二类是三力中,一力确定,另二力大小、方向地无法确定。
例2:如图所示,绳与杆均不计重力,所承受弹力的最大值一定,A端用铰链固定,滑轮0在A点正上方(滑轮大小及与绳间的摩擦均可忽略),B端吊一重物P。现施拉力FT将B端缓慢上拉(绳、杆均未断),在杆达到竖直前,下列说法中正确的是( )。
A.绳子越来越容易断
B.绳子越来越不容易断
C.杆越来越容易断
D.杆越来越不容易断
解析:对B点进行受力分析如图所示。由相似三角形法知
[FTG=SH得FT=SH?G]
[FNG=LH得FN=LH?G]
由于S不断减小,L、H不变,可知FT减小,FN不变。
故选项B正确。
答案:B
二、图解法
对研究对象进行受力分析,再根据平行四边形定则或三角形法则画出动态变化过程中不同状态下的力的矢量图,然后根据再向线段的长度变化判断各个力的变化情况。
例3在固定于地面的斜面上垂直安放了一个挡板,截面为[14]圆的柱状物体甲放在斜面上,半径与甲相等的光滑圆球乙被夹在甲与挡板之间,乙没有与斜面接触而处于静止状态,如图所示。现在从球心处对甲施加一平行于斜面向下的力F,使甲沿斜面方向缓慢地移动,直至甲与挡板接触为止。设乙对挡板的压力为F1,甲对斜面的压力为F2,在此过程中( )。
A.F1缓慢增大,F2缓慢增大
B.F1缓慢增大,F2缓慢减小
C.F1缓慢减小,F2缓慢增大
D.F1缓慢减小,F2保持不变
解析:对整体,受力如图甲所示,垂直斜面方向只受两个力:甲、乙重力在垂直于斜面方向的分量和斜面支持力[F2′],且[F2′-Gcosθ=0],即[F2′]保持不变,由牛顿第三定律可知,甲对斜面的压力为F2也保持不变;乙的受力分析如图乙、丙所示,当甲缓慢下移时,FN与竖直方向的夹角减小,F1减小。
从以上分析可以看出,若研究对象是一个物体,且受三个力的作用,一力确定,另一力方向定,而第三力是不确定,则用解矢量三角形的方法,尤为简捷直观。若是一力确定,另二力都不完,则应分别作出力的矢量三角形和结构三角形;利用它们的相似性建立函数表达式分析更方便,若对象是一个函流,还应把上述方法和整体法隔离法结合起来分析,才能解决问题。