3.6 共点力的平衡条件及其应用 课件(共21张PPT)2023-2024学年高一物理粤教版必修第一册

(共21张PPT)
第三章 相互作用
第六节 共点力的平衡条件及其应用
在自然界和日常生活中，物体的平衡是最常见的现象之一。高高耸立的岩石、婀娜多姿的平衡鸟、体育比赛中平衡木上的运动员等，都处于平衡状态；现代高耸入云的广州塔，以及形式各样的斜拉桥等，都利用了物体平衡的原理。
杂技的平衡之美——艺术的创造
体育竞技的平衡之美
建筑的平衡之美——人类的智慧
自然界的平衡之美
自然界中物体的平衡构成了一道道奇异的景色，生活中物体的平衡构成了一幅幅美丽的画卷，体育竞技和杂技表演给我们展示的平衡是艺术的创造，而由物体的平衡原理制成的技术产品也在改变着我们的生活和周围的世界。
思考
图甲、乙、丙、丁分别画出了重力为G的木棒在力F1和F2的共同作用下处于平衡状态的情况，这些力都位于同一平面内。根据每幅图中各个力作用线的几何关系，可以把上述四种情况的受力分成两类，你认为哪些情况属于同一类？你是根据什么来划分的？
图甲和图丁是同一类
共点力的平衡
如果几个力作用在物体的同一点上[如图(a)所示，或者几个力的作用线相交于同一点[如图(b)所示]，这几个力就称为共点力。
(a)
(b)
为了明确表示物体所受的共点力，在作力的示意图时，可以把这些力的作用点画到它们作用线的公共交点上，如上图所示。
物体处于静止或者保持匀速直线运动的状态叫作平衡状态。物体如果受到共点力的作用且处于平衡状态，就叫作共点力的平衡，为了使物体保持平衡状态，作用在物体上的力所必须满足的条件，叫作共点力的平衡条件。
探究共点力的平衡条件
灯笼的受力示意图
二力平衡是指物体在两个共点力的作用下处于平衡状态，其平衡条件是这两个力的大小相等、方向相反，作用在同一直线上。
一个悬挂着的灯笼的受力情况如图所示F=G，力F，G的合力为零。
如果物体受到三个不在一条直线上的共点力的作用，怎样才能保持平衡
实验与探究
取一个汇力圆环、三根一端带小钩的细绳、三个弹簧测力计，将三个小钩都钩在汇力圆环上。
(1) 如图1所示，分别将弹簧测力计连接在三根细绳的末端，使汇力圆环在三根细绳的拉力作用下与平板上的定位圆重合。
(2) 用铅笔在平板上记下这三个拉力的大小和方向。
图1
(3) 在平板上用力的图示法画出这三个力 F1，F2，F3 ，如图2所示。
(4) 用力的平行四边形定则作出F1，F2的合力F，如图3所示。比较F与F3的大小和方向。作出F2，F3的合力F’，如图4所示，或者作出F1，F3的合力 F”，如图5所示，然后将合力与另外一个力进行比较。
图2
图3 作出F1，F2的合力 F
图4 作出F2，F3的合力 F’
图5 作出F1，F3的合力 F’’
(5) 在保证汇力圆环与定位圆重合的前提下，改变三根细绳的拉力大小和方向，重复上述步骤。
根据实验结果，你能否归纳总结物体在三个共点力作用下的平衡条件。
大量的实验表明，物体受多个共点力的作用而处于平衡状态时，其平衡条件是所受合力为零。
共点力平衡条件的应用
共点力作用下物体的平衡条件在社会生产生活实际中有广泛的应用，下面分析两个具体的例子。
例题1：在图中，小球重3 N，光滑斜面的倾角 α为 30°。求斜面及竖直放置的挡板对小球作用力的大小。
小球的受力分析图
分析：以小球为研究对象，小球受到斜面对它的作用力F1、挡板对它的作用力F2和重力 G 这三个力的作用。根据共点力的平衡条件， F1和F2的合力 F 的大小与重力 G 的大小相等。
解：对小球的受力分析如图所示。由几何关系，得
小球的受力分析图
代入数据，解得
F1 = ， F2 = Ftanα，F=G
F1 = =3×N ≈ 3.5 N，
F2 = Ftan30°=3×N ≈ 1.7 N，
即斜面对小球的作用力的大小为 3.5 N，挡板对小球的作用力的大小为 1.7 N。
例题2：在科学研究中，人们利用风力仪直接测量风力 (指风对金属球的作用力) 的大小，其原理如图所示。仪器中有一根轻质金属丝，悬挂着一个金属球。无风时，金属丝竖直下垂。当受到沿水平方向吹来的风时，金属丝偏离竖直方向一个角度，风力越大，偏角越大。通过传感器，就可以根据偏角的大小指示出风力的大小。那么，风力的大小F跟小球质量m、偏角之间有什么关系呢
风力仪的原理示意图
分析：以金属球为研究对象，有风时，它受到三个力作用：重力mg，坚直向下；风力 F，水平向左；金属丝拉力 T，沿金属丝倾斜向上，如图所示。当风力一定时，金属球能保持在一定的偏角的位置上。以金属球的球心为原点，取水平方向为 x 轴，坚直方向为y轴。由平衡条件列出方程，即可求出风力的大小F跟金属球质量 m、偏角之间的关系。
金属球的受力分析图
解：以金属球为研究对象，受力分析如图所示。水平方向上的合力 Fx合和竖直方向上的合力Fy合分别等于零，即
Fx合= Tsin－F = 0
Fy合= Tcos－mg = 0
有 Tsin= F，Tcos= mg.
两式相比，得F = mgtan.
金属球的受力分析图
由所得结果可见，当金属球质量m 一定时，偏角只跟风力 F 有关，因此，根据偏角的大小就可以指示出风力的大小。
完成课后相关练习
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