高中物理动态平衡问题的解题方法探析

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  【摘  要】与初中物理相比,高中物理的学习对于学生来说,具有较大的難度,尤其是动态平衡问题,使得不少学生感到物理知识的抽象性。新高考改革后,高考物理试题中也增加了不少动态平衡问题。为进一步帮助学生理解、掌握这部分知识,学会解题方法,文章结合具体实例详细分析了动态平衡问题的解题方法,希望可以帮助更多的学生提高理解能力,强化物理学习效果。
  【关键词】高中物理;核心素养;动态平衡;解题方法
  引言:
  在高中物理课程中,动态平衡属于难点问题,学生由于物理思维,理解能力的不足,面对动态平衡问题时,经常进入误区,难以掌握动态平衡解题方法。纵观以往高考物理试题,动态平衡问题一直都是热点,所以,帮助学生深入了解动态平衡问题解题方法,可以使得学生解题时,做到举一反三,从而提高物理学习能力,提升物理成绩。
  一、物理动态平衡问题
  在高中物理学习中,动态平衡问题主要指的就是当物体受到几个力的作用时,所发生的相对地面保持静止,或者出现位置缓慢移动的过程。研究这一问题的本质,不难发现,动态平衡问题的产生,主要就是所研究的对象,一直维持平衡状态,与此同时,合力一直保持为零。随着新高考改革,物理动态平衡问题成为近年来的热门考题。这类问题要求学生除了要掌握动态平衡问题的解题方法之外,更要学会思考问题中经常出现的一些细枝末节。
  二、高中物理动态平衡问题的具体解决方法
  概括来讲,矢量三角形法、辅助圆法、相似三角形法、解析法等都是解决动态平衡问题较为常用的方法。下面主要结合具体案例进行分析。
  (一)图解法
  1、利用辅助直线
  在一个光滑斜面上,倾角为a,放置一个质量为m的球,如图1所示,并使用薄挡板以垂直地面方向对球进行竖直挡住,问题为:当挡板以逆时针进行转动时,挡板和斜面对球弹力的变化影响。针对此题目的解答,可以采用辅助直线的方式,分析球的受力情况,如图2所示,其中Nl与N2形成向上的F,因为该球一直处于动态平衡状,所以,可得F=mg。在挡板转动过程中,会对球产生N1方向的作用力,此时N2的方向一直维持原状,因此N1的端点主要集中在图2所示的虚线FN上,由此形成了一个平行四边形,通过分析可知,挡板对球的弹力Nl先变小,而后逐步增大,而斜面对球的弹力则属于一直减小状态。
  
  2、利用辅助圆
  对橡皮条施加拉力,由A、B两个弹簧秤将其拉到D点,并继续伸长到E点,如图3所示,由A、B与E分别产生的夹角为α、β,并且两个角相加小于90°。当A读数不发生变化时,减小α,则需要采用以下哪种方法,才可以保证D点由一直在E点位置维持现状?选项有:a使B的读数变大,β角变大;b使B的读数变大,β角变大;c使B的读数变小,β角变小;d使B的读数变大,β角变小。
  分析此题目,明确提出了要让D点一直处于E点,因此,合力必须保持不变,为解决此问题,可以利用辅助圆的方式,将E点作为圆心,运用A拉力大小作为半径,画辅助圆,如图4所示,必然会出现B的拉力为圆上任一点到C点的有向线段,分析可知,当B的拉力减小时,β也会变小,由此,题目得出正确答案。
  (二)三角函数法
  将一个小球放置在木板与竖直墙面之间,此时墙面必然会对球产生一定的压力,假设该压力为Nl,同样的,木板也会对球产生压力N2,如图5所示,将二者的连接点水平直线作为轴线,以平稳的速度转到水平位置,该运动忽略其中的摩擦,问题:N1一直减小,N2一直增大;N1一直减小,N2一直减小;N1先增大后减小,N2一直减小;N1先增大后减小,N2先减小后增大。会出现哪种情况?
  分析该球的受力情况,得出图6所示,假设木板和墙面之间的夹角为θ,此时N1等于mgcotθ,而N2则等于mg/sinθ.题目中说明了木板是平稳转动,所以θ会一直增大,而cotθ则减小,进而使得N1减小,sinθ便会逐渐增大,N2减小。此时,得出正确答案,即N1一直减小,N2一直减小。
  (三)相似三角形法
  除了上述两种方法之外,还可以借助相似三角形法解决动态平衡问题。例如,有这样一道题目,将一光滑半球固定在水平面上,并使用细绳在球心正上方固定一个小定滑轮,当缓慢拉绳时,让小球由A点向半球顶点滑动,问题:在此过程中,小球对半球的压力大小以及细绳的拉力大小的变化。解答此题目,首先需要分析小球受力情况,通过将小球对半球的压力以及细绳的拉力合成到竖直方向,不难发现,采用相似三角形方法解答,可以得到小球对半球的压力大小不变,细绳的拉力则变小。
  三、结束语
  综上所述,面对高中物理动态平衡问题,教师在教授学生解决方法时,应当注重引导学生学会慢分析,利用对比法,多在实践中总结,这样才可以更加清晰、正确的梳理出问题的关键,逐步形成物理思维,提高物理学习能力。
  参考文献:
  [1]陵双平.高中物理中动态平衡问题的解题方法探究[J].新智慧,2019,12(35):262-263.
  [2]李婷.浅谈高中物理力学中动态平衡问题的解决方法[J].高中数理化,2019,14(18):341-342.
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