當物體靜止時,存在一個共同點力或合力矩為零的條件,一般很容易分析。 如果一個物體由于某些條件的變化而在其原始狀態的基礎上處于另一種靜止狀態,這就會引起其他物理量(如力的大小和方向等)的變化。 判斷這些物理量的變化是經常遇到的。 分析此類問題時,關鍵是要掌握哪些量發生變化,哪些量不變。 下面介紹幾種常用的方法:
(1)極限法:
找出發生變化的極端位置或特殊位置,分析物理量的變化趨勢,從而確定總體變化趨勢。
例1:一個半徑為r、重量為G的球體,用一根長度為L的繩子懸掛在光滑的墻壁上。當繩子長度L增加時,繩子的張力T和墻壁的彈力N如何變化?
解:想象一下極限位置:如果L變為無窮大,
示例1
相當于把球直接掛在繩子上。 此時,T=mg,N=0
∴當繩索長度增加時,T和N都減小。
(2)函數方法:
利用不變的物理學,寫出變化的物理量(或角度、長度等數學量)所需物理量的函數表達式y=f(x),從而看出物理量如何隨變量變化。
示例1中的不變量是球的重量G。 設繩索與垂直墻之間的角度為θ(變量)。 根據物理定律——公共點力的合力為零:可得函數公式:
T=G/cosθ N=Gtgθ
當L增大時,θ變小,∴cosθ-->變大,tgθ-->變小,G不變。
由此可見,T 變小斜面上的拉力怎么求,N 變小。
實施例2 將質量為m的鐵塊放置在長木板上。 它們之間的摩擦系數為μ。 木板放置在水平地面上。 如果A端固定,板的B端慢慢抬起,隨著板傾斜角度θ的增大,鐵塊上的摩擦力會如何變化?
實施例2
分析:
當開始時角度θ較小時,鐵塊受到靜摩擦力,木板緩慢旋轉可認為處于平衡狀態。
則有 f1= mgsinθ
當角度θ增大到一定值時,鐵塊開始滑動并受到滑動摩擦力,則有
f2=μN=μmgcosθ
從上面兩個摩擦力表達式可以看出,f1隨著θ的增大而增大。 達到最大值后,f2隨著θ的增加而減小。 當θ為90°(即垂直時間)時,f2為零。
在這個過程中,可以畫出下面的功能圖來表示變化。
示例2 功能變化
(3)幾何圖形法
當物體與三個公共點力處于平衡狀態時斜面上的拉力怎么求,三個公共點力的大小和方向必須符合平行四邊形定律。 當平行四邊形的對角線(即合力)大小和方向不變時,使用圖中的幾何形狀。 其他量變化關系分析的方法就是幾何圖形法。 特別是當函數表達式難以書寫或分析困難時,該方法更顯示出其優越性。
例1中,T和N的合力大小相等,方向與G相反,這意味著平行四邊形的對角線保持不變。
當繩子變長時,N的方向不變,可以使平行四邊形T'和N'的對角線與以前相同。
從圖中可以清楚地看出,T'和N'比T和N短。
那是T'
示例1 受力圖
例3 光滑斜面與水平面的夾角為а。 將一個質量為m的球放在斜面上,用光滑的平板A擋住它,現在當板A與斜面的夾角θ緩慢變化時,板A在什么位置對球所受的力最小? 最小力是多少?
實施例3
分析:
如圖所示,斜面上的支撐力N,板對球的作用力為T,其合力為G',與G的平方相等且相反。
當角度θ增大時,G'的大小和方向不變,N的方向不變(始終垂直于斜面)
改變的是T的大小和方向以及N的大小。
但改變時,T和N的合力仍應為G'(大小和方向不變),可以做出虛線所示的幾個平行四邊形。
從分析圖可以看出:當T垂直于N時,線段最短,即此時T值最小。
可以得到當θ=90°時T=。
實施例3分析圖