高三物理中力的平衡問題主要包括以下幾類:
1. 連接體問題:多個(gè)物體在力的作用下保持平衡,每個(gè)物體所受的力是相互聯(lián)系的,解決這類問題需要運(yùn)用整體法或隔離法。
2. 力的平衡與動(dòng)態(tài)平衡問題:物體在力的作用下發(fā)生形變,當(dāng)外力作用方向改變時(shí),物體將處于新的平衡狀態(tài),這就是動(dòng)態(tài)平衡問題。
3. 力的平衡與圓周運(yùn)動(dòng):在圓周運(yùn)動(dòng)中,物體受到的力一般為重力、彈力和摩擦力的共同作用,當(dāng)這些力相互平衡時(shí),物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。
4. 力的平衡與拋體運(yùn)動(dòng):物體以一定的初速度拋出,只受重力時(shí)做勻變速曲線運(yùn)動(dòng),這類問題需要運(yùn)用力的平衡和運(yùn)動(dòng)的合成與分解知識(shí)來解決。
5. 力的平衡與振動(dòng)問題:在振動(dòng)中,物體受到彈簧等彈性物體的約束,使得物體受到大小和方向都變化的外力作用,但物體仍然處于平衡狀態(tài),這類問題需要運(yùn)用力的平衡和振動(dòng)的基本知識(shí)。
以上是高三物理中常見的力的平衡問題的幾個(gè)例子,解決這類問題需要掌握基本的物理原理和方法,并能夠靈活運(yùn)用。
題目:一個(gè)質(zhì)量為 m 的小球,用一條不可伸長(zhǎng)的輕繩系住,繩長(zhǎng)為 L。小球在光滑的水平桌面上以角速度 ω 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。已知繩長(zhǎng)為 L 時(shí),小球剛好不發(fā)生離心現(xiàn)象。現(xiàn)在將繩剪斷,求小球在水平桌面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大速度。
分析:
1. 小球在光滑的水平桌面上以角速度 ω 做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),受到重力、支持力和拉力三個(gè)力的作用,這三個(gè)力的合力提供向心力,即:
$F_{合} = m\omega^{2}r = mg + F$
其中,$r$為繩長(zhǎng),$F$為繩的拉力。
2. 當(dāng)剪斷繩子后,小球受到重力和支持力的作用,這兩個(gè)力的合力提供向心力,即:
$F_{合} = m\omega^{2}r_{max}$
其中,$r_{max}$為小球在水平桌面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大半徑。
解題:
$mg + F = m\omega^{2}L$
$m\omega^{2}r_{max} = mg$
解得:$r_{max} = \frac{L}{g}\omega^{2}$
所以,小球在水平桌面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大速度為:
$v_{max} = \sqrt{\frac{gL}{g}} = \sqrt{L}$
答案:小球在水平桌面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大速度為$\sqrt{L}$。