5.4 平衡条件的应用 学案 (1)

5.4
平衡条件的应用
学案1
【学习目标】
掌握求解共点力平衡条件的应用问题的一般方法和步骤，对应书4.2
共点力平衡条件的应用。
【知识要点】
1.
共点力平衡条件的应用
现实生活中，物体在力的作用下处于平衡状态的情况随处可见，站着的人在重力和地面支持力的作用下，处于静止平衡状态，这叫静态平衡；跳伞运动员在降落过程中，当其匀速降落时，他所受的重力与降落伞的拉力及空气阻力平衡，这是动态平衡。
有时，物体就整体而言并不处于平衡状态，但它可以在某一方向上处于平衡状态。如在海面上加速行驶的快艇，在水平方向做变速运动，可是它在竖直方向上只受重力和浮力这一对平衡力作用，因此它在竖直方向上处于平衡状态。
2.
依平衡条件列方程可对任一方向也可在某一方向
（1）在共点力作用下物体处于平衡状态，则物体所受合力为零，因此物体在任一方向上的合力都为零。
（2）如果物体只是在某一方向上处于平衡状态，则该方向上合力为零，因此可以在该方向上应用平衡条件列方程求解。
3.
求解共点力作用下物体平衡的方法
（1）解三角形法：这种方法主要用来解决三力平衡问题，是根据平衡条件并结合力的合成或分解的方法，把三个平衡力转化为三角形的三条边，然后通过解这个三角形求解平衡问题，解三角形多数情况是解直角三角形，如果力的三角形并不是直角三角形，能转化为直角三角形的尽量转化为直角三角形，如利用菱形的对角线相互垂直的特点就得到了直角三角形，确实不能转化为直角三角形时，可利用力的三角形与空间几何三角形的相似等规律求解。
（2）正交分解法：正交分解法在处理四力或四力以上的平衡问题时非常方便，将物体所受各个力均在两互相垂直的方向上分解，然后分别在这两个方向上列方程。此时平衡条件可表示为
说明：应用正交分解法解题的优点：
①将矢量运算转变为代数运算，使难度降低；
②将求合力的复杂的解三角形问题，转化为正交分解后的直角三角形问题，使运算简便易行；
③当所求问题有两个未知条件时，这种表达形式可列出两个方程，通过对方程组求解，使得求解更方便。
4.
解共点力平衡问题的一般步骤
（1）选取研究对象。
（2）对所选取的研究对象进行受力分析，并画出受力图。
（3）对研究对象所受的力进行处理。一般情况下需要建立合适的直角坐标系，对各力按坐标轴进行正交分解。
（4）建立平衡方程。若各力作用在同一直线上，可直接用的代数式列出方程；若几个力不在同一直线上，可用与联立列出方程组。
（5）对方程求解，必要时需对解进行讨论。
注意：建立直角坐标系时，一般尽量使更多的力落在坐标轴上，以减少分解力的个数，从而达到简化计算的目的。
5.
整体法与隔离法
整体法的含义：所谓整体法就是对物理问题的整个系统或整个过程进行分析、研究的方法。
整体法的思维特点：整体法是从局部到全局的思维过程；是系统论中的整体原理在物理学中的运用。
整体法的优点：通过整体法分析物理问题，可以弄清系统的整体受力情况和全过程的受力情况，从整体上揭示事物的本质和变化规律，从而避开了中间环节的繁琐推算，能够灵活地解决问题。
隔离法的含义：为了弄清系统（连结体）内某个物体的受力和运动情况用隔离法。
隔离法的基本步骤：（1）明确研究对象或过程、状态；（2）将某个研究对象或某段运动过程、某个状态从全过程中分离出来；（3）画出某状态下的受力图或运动过程示意图；（4）选用适当的物理规律列方程求解。
说明：通常在分析外力对系统的作用时，用整体法；在分析系统内各物体（或一个物体的各部分）间相互作用时，用隔离法；有时解答一个问题需要多次选取研究对象，整体法和隔离法交替应用。
6.
动态平衡问题的分析方法
在有关物体平衡的问题中，存在着大量的动态平衡问题，所谓动态平衡问题，就是通过控制某一物理量，使物体的状态发生缓慢变化的平衡问题。即任一时刻物体均处于平衡状态。
（1）解析法：对研究对象的任一状态进行受力分析，建立平衡方程，求出应变参量与自变参量的一般函数式，然后根据自变参量的变化确定应变参量的变化。
（2）图解法：对研究对象进行受力分析，再根据平行四边形定则或三角形定则画出不同状态下的力的矢量图（画在同一图中），然后根据有向线段（表示力）的长度变化判断各个力的变化情况。
【典型例题】
题型1
平衡问题的基本解法（正交分解法）
例1、如图（1）所示，重40N的物体与竖直墙间的动摩擦因数为0.2。若受到与水平线成45°角的斜向上的推力F作用而沿竖直墙匀速上滑，则F多大？
解析：取物体为研究对象，其受力情况如图（2）所示，取沿墙面方向为y轴，垂直于墙面为x轴，由平衡条件可知
，①
，②
另外考虑到滑动摩擦力与弹力之间有③
由①②③式可解得，
即当推力F大小为71N时，物体沿墙面匀速上滑。
点评：用正交分解法求解时，坐标轴的建立应尽量减少力的分解。

题型2
感受整体与隔离法的精妙
例2.
有一直角支架AOB，杆AO水平放置，表面粗糙，杆BO竖直向下，表面光滑，AO上套有小环P，BO上套有小环Q，两环质量均为m，两环间由一根质量可忽略、不可伸长的细线相连，并在某一位置平衡如图（甲）所示，现将P向左移一小段距离，两环再次达到平衡，那么将移后的平衡状态和原来的平衡状态比较，AO杆对P环的支持力FN和细绳上的拉力FT的变化情况是
A.
FN不变，FT变大
B.
FN不变，FT变小
C.
FN变大，FT变大
D.
FN变大，FT变小
解析：解法一：本题可以分步计算，首先利用整体法计算杆OA对P环的支持力FN，因P和Q所组成的系统在竖直方向只受到重力及杆OA对P球的支持力FN，系统又处于平衡状态，因而竖直方向的合力为零，则支持力FN的大小一直应与P和Q两环的重力相等，即FN的大小不变，第二步由环Q的受力如图（乙）可知，受的重力不变而P向左移时绳与竖直方向的夹角θ减小，由FT=mg/cosθ知，绳上的拉力FT变小，故答案为B。
乙
解法二：把P、Q分开用隔离法，则P、Q的受力如图（乙）所示。由Q的受力可得，减小，拉力FT变小，则Q对P的拉力，由P的受力知。
解题技巧妙法总结：本题的创新之处在于一题多解，以及思维上的创新——整体法的灵活运用，并且把力的合成与物体平衡结合起来，特别是整体的平衡，又可分成各个方向上的平衡，再由竖直方向合力为零和水平方向合力为零计算。
例3.
如图（1）所示，固定在水平面上的光滑半球，球心O′的正上方固定一小定滑轮，细线一端拴一小球A，另一端绕过定滑轮，今将小球从图中所示的初位置缓慢地拉至B点，在小球到达B点前的过程中，小球对半球的压力FN及细线的拉力F1的大小变化是
A.
FN变大，F1变小
B.
FN变小，F1变大
C.
FN不变，F1变小
D.
FN变大，F1变大
解析：由于三力F1、FN与G首尾相接构成的矢量三角形与几何三角形AOO′相似，如图（2）所示
所以有，
。
所以
，
由题意知当小球缓慢上移时，减小，不变，R不变，故F1减小、FN不变。
答案：C
点评：此题画动态中的矢量三角形无法比较大小，利用相似关系列出力的解析关系，从而分析解题。
【练习】
1.
如图所示，A和B两物体相互接触并静止在水平面上，现有两个水平推力、分别作用在A、B上，A、B两物体仍保持静止，则A、B之间的作用力大小是
A.
一定等于零
B.
不等于零，但一定小于
C.
一定等于
D.
可能等于
2.
如图所示，质量为m的物体在沿斜面向上的拉力F作用下沿放在水平地面上的质量为M的粗糙斜面匀速下滑，此过程中斜面保持静止，则地面对斜面
①无摩擦力
②有水平向左的摩擦力
③支持力为
④支持力小于
A.
①②
B.
③④
C.
②④
D.
①④
3.
跳伞运动员打开伞后经过一段时间，将在空中保持匀速降落，已知运动员和他身上装备的总重量为，圆顶形降落伞伞面的重量为，有8条相同的拉线一端与飞行员相连（拉线重量不计），另一端均匀分布在伞面边缘上（图中没有把拉线都画出来），每根拉线和竖直方向都成角，那么每根拉线上的张力大小为
A.
B.
C.
D.
4.
在倾角为的粗糙斜面上叠放着质量分别为与2m的A、B两物体，刚好都处于静止状态，如图所示，则下列说法正确的是
A.
A、B两物体受到的摩擦力之比为1：2
B.
因为A、B都处于静止状态，所以它们受到的摩擦力之比为1：1
C.
如果斜面的倾角改变，使正压力改变，则两物体所受摩擦力的比值也随之改变
D.
因为A、B间、B与斜面间接触面的动摩擦因数的关系不知道，所以比值不能确定
5.
如图所示，轻绳的一端系在质量为m的物体上，另一端系在一个圆环上，圆环套在粗糙水平横杆MN上，现用水平力F拉绳上一点，使物体处在图中实线位置，然后改变F的大小，使其缓慢下降到图中的虚线位置，圆环仍静止在原位置，则在这一过程中，水平拉力F、环与横杆的摩擦力和环对横杆的压力的变化情况是
A.
F逐渐增大，保持不变，逐渐增大
B.
F逐渐增大，逐渐增大，保持不变
C.
F逐渐减小，逐渐增大，逐渐减小
D.
F逐渐减小，逐渐减小，保持不变
【答案】
1.
D
2.
C
3.
A
4.
A
5.
D
【反思】
收获
疑问