共点力作用下物体的平衡与常见的物理思维方法.PPT

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共点力作用下物体的平衡与常见的物理思维方法

第二讲:共点力作用下物体的平衡与常见的物理思维方法 当我们研究物体的机械运动时,物体所处的状态不外于两种:即平衡与不平衡。当物体处于不平衡状态时,通常我们所用的方法牛顿运动定律。当物体处于平衡状态时,通常我们所用的就是共点力的平衡。所谓共点力是指力的作用点相同,或者力的作用线(或其反向延长线)能交于一点。但我们在处理实际问题时,只要不考虑物体的转动,即使这些力不是共点力,我们也通常是用共点力的平衡来解决所遇支的问题。 解共点力作用下物体的平衡的方法: 解共点力作用下物体的平衡的方法一般有两种,一种是力的平等四边形法,另一种是正交分解法。 一、用力的平行四边形法求解共点力的平衡 在一般情况下,如果物体受到的力只有三个或更少,而且力与力之间有特殊角,则一般情况下可选择用力的平等四边形法则来解决问题 例1: 如图所示,重物的质量为m,轻细线AO与BO的A、B端是固定的,平衡时AO是水平的,BO与水平面的夹角是θ;则AO的拉力F1与BO的拉力F2的大小为 A.F1=mgsinθ B.F1=mgcotθ C.F2=mgsinθ D.F1= 分析与解: 这是一个典型的共点力平衡问题,研究的对象是结点O,由于O点只受三个力作用,而且存在特殊角,因此用力的平行四边形法则求解比较方便。 接上页: O点的受力情况有:重物对O点的拉力F1(F1=mg),AO对绳子的拉力F2,BO对绳子的拉力F3,因为O点处于平衡状态,所以O点所受的所有力的合力应该为零,即任意两力的合力与第三力的大小相等,方向相反。根据这一关系,我们可以得到右图所示的关 系图,根据三角形之间的关系,我们可以求出: 正交分解法: 该题也可以用正交分解法做,以O点为研究对象,建立坐标,出平衡方程:F3cosθ-F2=0 F3sinθ-mg=0,同样可解得: 讨论: 从上面的分析可以看出,当力只有三个且存在特殊角时,一般情况下用力的平行四边形法求解是比较方便的,但作为正交分解法是普遍适用的。 例题2 在两个共点力合成的实验中,如图所示,用M、N两个测力计拉橡皮条的结点P,使其位于E处,此时(α+β)=.然后保持M的读数不变,当α角由图中所示的值减小时,要使结点仍在E处,可采用的办法是( ). A、增大N的读数,减少β角 B、减小N的读数,减小β角 C、减小N的读数,增大β角 D、增大N的读数,增大β角 分析与解 O点的位置不变,表示点受力仍然平衡,即M的位置改变后,仍要保持FM与FN的合力不变,分析图可以看出, β角要变小,FN也要变小 例题3: 如图所示,一个半球形的碗放在桌面上,碗口水平,O为其球心,碗的内表面及碗口是光滑的。一根细线跨在碗口上,线的两端分别系有质量为m1和m2的小球,当它们处于平衡状态时,质量为m1的小球与O点的连线与水平线的夹角为600。求两小球的质量之比m1:m2为多少? 分析与解: 分析与解:对于这个问题,我们首先来确定研究对象,研究对象取m1比较方便,分析m1的受力情况,我们可以得到m1的受力图如右, 接上页 究竟是采用正交分解法来研究,还是用力的平行四边形法来进行研究,是本题需要考虑的问题,如果用正交分解法来进行研究可能会比较复杂,由于本题不是要求出直接的力的大小,所以采用力的平行四边形法则,从三角形之间的相互关系来研究会比较简单。 接上页: 画出力的平行四边形如右图,由于m1处于静止状态,所以m1受到的合外力为零,则任意两力的合力与第三力的大小相等,方向相反,所以F1与m2g的合力大小与m1g大小相等。 接上页 由几何关系可知,有Om1m2组成的三角形为等边三角形,又因为重力的方向与水平面垂直,所以-m1g平分由F1与m2g组成的夹角所以F1与m2g大小相等,则有几何关系可得:2m2gcos300=m1g 得 总结: 该题同学们也可可尝试用正交分解法做,但在解法上要比上述方法复杂一些。 例题4: 如图所示,两轻环E和D分别穿在光滑轻杠AB和AC上,AB和AC的夹角为θ,E和D用细线连接,一恒力F沿AC方向拉环D,当两环平衡时,细线与AC的夹角为多少?细线上的拉力为多少? 分析与解: 对于这一题目的分析,我们必须紧紧抓住光滑、细线等隐含条件来分析,如果先以D环为研究对象,问题很难突破,我们不妨先以E环为研究对象: 分析E环的受力情况可知,E 环受杠的弹力(方向一杠垂直)、 细线的拉力(沿线的方向),若 要细保持平衡,二力必须要大小 相等、方向相反,成为一对平衡力。由此可以得到细的方向必与AB垂直。 接上页 再以E环为研究对象,可以看出E环受到三个力的作用:拉力F、杠的弹力N2、线的拉力F2,根据三力平衡的一般解题方法,任意二力的合

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