图解法解析共点力的平衡问题

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  1引言
  物理学习中共点力的平衡问题一直以来都是重点和难点问题,通常对共点力平衡相关试题的解析,常用的方法为对力进行合成或者分解。这种方法可以定量或定性的分析共点力平衡问题,但略显复杂。
  2矢量三角形图解法的基本原理
  所谓的矢量三角形是指,假设有三个力作用于物体上,且作用点相同,此时如果这三个力处于共点平衡状态,那么无论物体静止还是运动,三个力都可以组成一个三角形。
  3矢量三角形图解法在共点力平衡定量分析中的应用
  在明白共点平衡力的矢量三角形基本原理后,我们将其应用到实际案例中。首先看实例1,如图1所示,一个重为G=600N的小球在拉力F的作用下,在倾角为20°的光滑斜面上向上做匀速直线运动,小球受到的支持力为N,作用于小球的拉力F与斜面平行,对拉力F和支持力N进行求解,首先对小球进行受力分析,如图1所示。重力G,拉力F和支持力N作用于同一点O,根据牛顿第一定律,小球处于匀速直线运动状态,那么G,F和N处于平衡状态。
  根据矢量三角形图解法,F,G,N三个矢量可以构成一个三角形OAB,且这三个矢量首尾相接,如图2所示。图2中的三角形中OA=F,OB=G,AB=N。由于支持力N和拉力F垂直,所以AB与OA垂直,即∠BAO=90°,同时∠ABO=20°,那么根据三角函数,F=Gsin20°≈205N,N=Gcos20°≈564N。從实例1中可以看出对共点力的平衡问题采用矢量三角形图解法,在已知三个力当中的一个力以及某一夹角时,不用对力进行合成或者分解,只需要根据基本的三角函数数学关系就可以求解出另外两个的大小,极大的简化了共点力平衡时的求解过程。
  4矢量三角形图解法在共点力平衡定性分析中的应用
  实例1是矢量三角形图解法对共点力平衡时力大小的定量分析。如图3所示,重力為G的物体被OA和OB两段细绳悬挂,OA⊥OB。如果固定细绳OA和重物位置不动,将细绳OB按照以O为原点,OB为半径的圆形轨道向C移动,采用矢量三角形图解法对细绳OA和OB上拉力的变化进行解析。首先进行受力分析,物体受到的重力为G,细绳OA和OB上的拉力分别为F1和F2,如图3所示,可以将三个力看作作用于O点的共点力。
  物体处于静止状态,那么F1,F2和G属于平衡力,按照矢量三角形法将三个力平移后,首尾相连形成如图4所示的三角形,随着细绳OB向C移动,OB上的拉力F2也向C移动,从图4所示的矢量三角形可以看出F2所在的边逐渐增大,同时F1也随之增大。可以看出对于三个共点平衡力,当其中一个力的大小和方向都不变,另外一个力方向不变,第三个力大小和方向都改变时,采用矢量三角形图解法可以定性分析出变化力的变化趋势。
  5结论
  综上所述,采用矢量三角形图解法,在分析三个共点平衡力时,既可以定量的解析出力的大小,又可以定性的分析出力的变化趋势。采用这种图解法分析共点力平衡问题的优点是直观和方便,不失为一种解析共点力平衡问题的优秀的解题方法。
  指导老师:陶连凤
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