高中物理奥赛解题方法十三降维法.doc

十三、降维法 方法简介 降维法是将一个三维图变成几个二维图，即应选两个合适的平面去观察，当遇到一个空间受力问题时，将物体受到的力分解到两个不同平面上再求解。由于三维问题不好想像，选取适当的角度，可用降维法求解。降维的优点是把不易观察的空间物理量的关系在二维图中表示出来，使我们很容易找到各物理量之间的关系，从而正确解决问题。 赛题精讲 例1：如图13—1所示，倾角θ=30°的粗糙斜面上放一物体，物体重为G，静止在斜面上。现用与斜面底边平行的力F=G/2推该物体，物体恰好在斜面内做匀速直线运动，则物体与斜面间的动摩擦因数μ等于多少？物体匀速运动的方向如何？ 解析：物体在重力、推力、斜面给的支持力和摩擦力四个力的作用下做匀速直线运动，所以受力平衡。但这四个力不在同一平面内，不容易看出它们之间的关系。我们把这些力分解在两个平面内，就可以将空间问题变为平面问题，使问题得到解决。 将重力沿斜面、垂直于斜面分解。我们从上面、侧面观察，图13—1—甲、图13—1—乙所示。 如图13—1—甲所示，推力F与重力沿斜面的分力G1的合力F′为： F′的方向沿斜面向下与推力成α角， 则 这就是物体做匀速运动的方向 物体受到的滑动摩擦力与F′平衡，即 所以摩擦因数： 例2：如图13—2所示，一个直径为D的圆柱体，其侧面刻有螺距为h的光滑的螺旋形凹槽，槽内有一小球，为使小球能自由下落，必须要以多大的加速度来拉缠在圆柱体侧面的绳子？ 解析：将圆柱体的侧面等距螺旋形凹槽展开成为平面上的斜槽，如图13—2—甲所示，当圆柱体转一周，相当于沿斜槽下降一个螺距h，当圆柱转n周时，外侧面上一共移动的水平距离为 ① 圆弧槽内小球下降的高度为 ② 解①、②两式，可得，为使螺旋形槽内小球能自由下落，圆柱体侧面绳子拉动的加速度应为 例3：如图13—3所示，表面光滑的实心圆球B的半径R=20cm，质量M=20kg，悬线长L=30cm。正方形物块A的厚度△h=10cm，=0.2，取g=10m/s2。求： （1）墙对物块A的摩擦力为多大？ （2）如果要物体A上施加一个与墙平行的外力，使物体A在未脱离圆球前贴着墙沿水平方向做加速度a=5m/s2 匀加速直线运动，那么这个外力大小方向如何？ 解析：设物体A对墙的压力为N，则沿垂直于墙的方向，物体B受到物体A的支持力大小也为N，有 又因为 在与墙面平行的平面内，对物体A沿竖直方向做受力分析，如图13—3—甲所示有 沿水平方向做受力分析，有 由以上各式，解得 因此，对物体A施加的外力F的大小为20N，方向沿墙面斜向上且与物体A水平运动方向的夹角为 例4：一质量m=20kg的钢件，架在两根完全相同的平行长直圆柱上，如图13—4所示，钢件的重心与两柱等距，两柱的轴线在同一水平面内，圆柱的半径r=0.025m，钢件与圆柱间的动摩擦因数μ=0.20。两圆柱各绕自己的轴线做转向相反的转动，角速度若沿平行于柱轴的方向施力推着钢件做速度为的匀速运动，求推力是多大？（设钢件不发生横向运动） 解析：本题关键是搞清滑动摩擦力的方向，滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反，由于钢件和圆柱都相对地面在运动，直接不易观察到相对地面在运动，直接不易观察到相对运动的方向，而且钢件的受力不在同一平面内，所以考虑“降维”，即选一个合适的角度观察。我们从上往上看，画出俯视图，如图13—4—甲所示。 我们选考虑左边圆柱与钢件之间的摩擦力，先分析相对运动的方向，钢件有向前的速度，左边圆住有向右的速度,则钢件相对于圆柱的速度是与的矢量差，如图中△v，即为钢件相对于圆柱的速度，所以滑动摩擦力f的方向与△v，的方向相反，如图13—4—甲所示。 以钢件为研究对象，在水平面上受到推力F和两个摩擦力f的作用，设f与圆柱轴线的夹角为θ，当推钢件沿圆柱轴线匀速运动时，应有 ① 再从正面看钢件在竖直平面内的受力可以求出FN，如图13—4—乙所示，钢件受重力G和两个向上的支持力FN，且G=2FN， 所以把 代入①式，得 推力 例5：如图13—5所示，将质量为M的匀质链条套在一个表面光滑的圆锥上，圆锥顶角为α，设圆锥底面水平，链条静止时也水平，求链条内的张力。 解析：要求张力，应在链条上取一段质量元进行研究。因为该问题是三维问题，各力不在同一平面内，所以用“降维法”作出不同角度的平面图进行研究。 作出俯视图13—5—甲，设质量元两端所受张力为T，其合力为F，因为它所对的圆心角θ很小，所以，即F=Tθ。 再作出正视图13—5—乙，质量元受重力g、支持力N和张力的合力F而处于平衡状态，由几何知识可得： 所以链条内的张力 例6：杂技演员在圆筒形建筑物内表演飞车走壁。演员骑摩托车从底部开始运动，随着速度增加，圈子越兜越大，最后在竖直圆筒壁上匀速率行驶，如图13—6所示。如果演员和摩托车的