力学中的动态问题分析解题方法.doc

高中物理新课教学案动态平衡问题的分析和解题技巧一 知识清单：(1）共点力的平衡1.共点力：物体受到的各力的作用线或作用线的延长线能相交于一点的力.2.平衡状态：在共点力的作用下，物体处于静止或匀速直线运动的状态.3.共点力作用下物体的平衡条件：合力为零，即0.4.力的平衡：作用在物体上几个力的合力为零，这种情形叫做力的平衡.(1)若处于平衡状态的物体仅受两个力作用，这两个力一定大小相等、方向相反、作用在一条直线上，即二力平衡.(2)若处于平衡状态的物体受三个力作用，则这三个力中的任意两个力的合力一定与另一个力大小相等、方向相反、作用在一条直线上.(3)若处于平衡状态的物体受到三个或三个以上的力的作用，则宜用正交分解法处理，此时的平衡方程可写成：（2）物体的动态平衡问题物体在几个力的共同作用下处于平衡状态，如果其中的某个力（或某几个力）的大小或方向，发生变化时，物体受到的其它力也会随之发生变化，如果在变化的过程中物体仍能保持平衡状态，我们就可以依据平衡条件，分析出物体受到的各力的变化情况。二 解题方法指导（1）矢量三角形法如果物体在三个力作用下处于平衡状态，其中只有一个力的大小和方向发生变化，而另外两个力中，一个大小、方向均不变化；一个只有大小变化，方向不发生变化的情况。如果物体在三个力作用下处于平衡状态，其中一个力的大小和方向发生变化时，物体受到的另外两个力中只有一个大小和方向保持不变，另一个力的大小和方向也会发生变化的情况下，考虑三角形的相似关系。(2) 图解法：对研究对象进行受力分析，再根据三角形定则画出不同状态下的力的矢量图（画在同一个图中），然后根据有向线段（表示力）的长度变化判断各力的变化情况。图解法分析动态平衡问题，往往涉及三个力，其中一个力为恒力，另一个力方向不变，但大小发生变化，第三个力则随外界条件的变化而变化，包括大小和方向都变化。解答此类“动态型”问题时，一定要认清哪些因素保持不变，哪些因素是改变的，这是解答动态问题的关键（3）相似三角形：正确作出力的三角形后，如能判定力的三角形与图形中已知长度的三角形（几何三角形）相似，则可用相似三角形对应边成比例求出三角形中力的比例关系，从而达到求未知量的目的。往往涉及三个力，其中一个力为恒力，另两个力的大小和方向均发生变化，则此时用相似三角形分析。相似三角形法是解平衡问题时常遇到的一种方法，解题的关键是正确的受力分析，寻找力三角形和结构三角形相似。u 特征条件：几何框架三角形中有两条边不变，另一个物体动态轨迹是圆弧。u 解题方法：相似形法最佳。（力矢量三角形跟几何框架三角形相似）u 结论：一力单调变化，另一力不变。（4）平衡方程式法：平衡方程式法适用于三力以上力的平衡，且有一个恒力，通过它能够建立恒定不变的方程式。根据其中一个力的变化情况，求出另一个力的变化情况。有不少三力平衡问题，既可从平衡的观点（根据平衡条件建立方程）求解平衡法，也可从力的分解的观点（将某力按其作用效果分解）求解分解法，两种方法可视具体问题灵活选用。但平衡法是求解平衡问题的基本方法，特别对三个以上力的平衡问题，分解法失效，平衡法照样适用；都是根据平衡点建立方程来推断力的变化情况。三 经典例题【例1】、如图所示，轻绳AO、BO结于O点，系住一个质量为m的物体，AO与竖直方向成角，BO与竖直方向成角，开始时（）90。现保持O点位置不变，缓慢地移动B端使绳BO与竖直方向的夹角逐渐增大，直到BO成水平方向，试讨论这一过程中绳AO及BO上的拉力大小各如何变化?（用解析法和作图法两种方法求解）解析：以O点为研究对象，O点受三个力：T1、T2和mg，如下图所示，由于缓慢移动，可认为每一瞬间都是平衡状态。（1）平衡方程法x方向：T2sinT1sin0，（1）y方向：T1cosT2cosmg0。（2）由式（1）得 （3）式（3）代入式（2），有，化简得T2（4）讨论：由于角不变，从式（4）看出：当90时，随的增大，则T2变小；当90时，T2达到最小值mgsin；当90时，随的增大，T2变大。式（4）代入式（3），化简得T1。由于不变，当增大时，T1一直在增大。（2）作图法由平行四边形法则推广到三角形法则，由于O点始终处于平衡状态，T1、T2、mg三个力必构成封闭三角形，如图（a）所示，即T1、T2的合力必与重力的方向相反，大小相等。由图（b）看出，mg大小、方向不变；T1的方向不变；T2的方向和大小都改变。开始时，（）90，逐渐增大角，T2逐渐减小，当T2垂直于T1时，即（）90时，T2最小（为mgsin）；然后随着的增大，T2也随之增大，但T1一直在增大。封闭三角形关系始终成立.不难看出； 当T与垂直时，即a+=90时，T取最小值，因此，答案选C。【练习1】如图所示，两根等长的绳子AB和BC吊一重物静止，两根绳子与水平方向夹角均为60.现保持绳子AB与水平方向的夹角不变，将绳子BC逐渐缓慢地变化到沿水平方向，在这一过程中，绳子BC的拉力变化情况是() A增大 B先减小，后增大C减小 D先增大，后减小答案：B1. 如图所示，电灯悬挂于两墙之间，更换绳OA，使连接点A向上移，但保持O点位置不变，则A点向上移时，绳OA的拉力( ) A逐渐增大 B逐渐减小 C先增大后减小 D先减小后增大 答案：D【例2】、光滑半球面上的小球（可是为质点）被一通过定滑轮的力F由底端缓慢拉到顶端的过程中（如图所示），试分析绳的拉力F及半球面对小球的支持力FN的变化情况。解析：如图所示，作出小球的受力示意图，注意弹力FN总与球面垂直，从图中可得到相似三角形。设球面半径为R，定滑轮到球面的距离为h，绳长为L，据三角形相似得：由上两式得：绳中张力：小球的支持力： 又因为拉动过程中，h不变，R不变，L变小，所以F变小，FN不变。说明：如果在对力利用平行四边形定则（或三角形法则）运算的过程中，力三角形与几何三角形相似，则可根据相似三角形对应边成比例等性质求解。【练习1】一轻杆BO，其O端用光滑铰链固定在竖直轻杆AO上，B端挂一重物，且系一细绳，细绳跨过杆顶A处的光滑小滑轮，用力F拉住，如图244所示现将细绳缓慢往左拉，使杆BO与杆AO间的夹角逐渐减小，则在此过程中，拉力F及杆BO所受压力FN的大小变化情况是()AFN先减小，后增大 BFN始终不变 CF先减小，后增大 DF始终不变答案：B【练习2】如图245所示，两球A、B用劲度系数为k1的轻弹簧相连，球B用长为L的细绳悬于O点，球A固定在O点正下方，且点O、A之间的距离恰为L，系统平衡时绳子所受的拉力为F1.现把A、B间的弹簧换成劲度系数为k2的轻弹簧，仍使系统平衡，此时绳子所受的拉力为F2，则F1与F2的大小之间的关系为()AF1 F2 BF1F2 CF1 F2 D无法确定答案：B【例3】、如图243所示，轻杆的一端固定一光滑球体，杆的另一端O为自由转动轴，而球又搁置在光滑斜面上若杆与墙面的夹角为，斜面倾角为，开始时轻杆与竖直方向的夹角. 且 90，则为使斜面能在光滑水平面上向右做匀速直线运动，在球体离开斜面之前，作用于斜面上的水平外力F的大小及轻杆受力T和地面对斜面的支持力N的大小变化情况是() AF逐渐增大，T逐渐减小，FN逐渐减小 BF逐渐减小，T逐渐减小，FN逐渐增大 CF逐渐增大，T先减小后增大，FN逐渐增大DF逐渐减小，T先减小后增大，FN逐渐减小 解析：利用矢量三角形法对球体进行分析如图甲所示，可知T是先减小后增大斜面对球的支持力FN逐渐增大，对斜面受力分析如图乙所示，可知FFNsin，则F逐渐增大，水平面对斜面的支持力FNGFNcos ，故FN逐渐增大答案：C【例4】、如图所示，OA为一遵守胡克定律的弹性轻绳，其一端固定在天花板上的O点，另一端与静止在动摩擦因数恒定的水平地面上的滑块A相连当绳处于竖直位置时，滑块A与地面有压力作用。B为一紧挨绳的光滑水平小钉，它到天花板的距离BO等于弹性绳的自然长度。现用水平力F作用于A，使之向右作直线运动，