当物体静止时,存在一个共同点力或合力矩为零的条件,一般很容易分析。 如果一个物体由于某些条件的变化而在其原始状态的基础上处于另一种静止状态,这就会引起其他物理量(如力的大小和方向等)的变化。 判断这些物理量的变化是经常遇到的。 分析此类问题时,关键是要掌握哪些量发生变化,哪些量不变。 下面介绍几种常用的方法:
(1)极限法:
找出发生变化的极端位置或特殊位置,分析物理量的变化趋势,从而确定总体变化趋势。
例1:一个半径为r、重量为G的球体,用一根长度为L的绳子悬挂在光滑的墙壁上。当绳子长度L增加时,绳子的张力T和墙壁的弹力N如何变化?
解:想象一下极限位置:如果L变为无穷大,
示例1
相当于把球直接挂在绳子上。 此时,T=mg,N=0
∴当绳索长度增加时,T和N都减小。
(2)函数方法:
利用不变的物理学,写出变化的物理量(或角度、长度等数学量)所需物理量的函数表达式y=f(x),从而看出物理量如何随变量变化。
示例1中的不变量是球的重量G。 设绳索与垂直墙之间的角度为θ(变量)。 根据物理定律——公共点力的合力为零:可得函数公式:
T=G/cosθ N=Gtgθ
当L增大时,θ变小,∴cosθ-->变大,tgθ-->变小,G不变。
由此可见,T 变小斜面上的拉力怎么求,N 变小。
实施例2 将质量为m的铁块放置在长木板上。 它们之间的摩擦系数为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,随着板倾斜角度θ的增大,铁块上的摩擦力会如何变化?
实施例2
分析:
当开始时角度θ较小时,铁块受到静摩擦力,木板缓慢旋转可认为处于平衡状态。
则有 f1= mgsinθ
当角度θ增大到一定值时,铁块开始滑动并受到滑动摩擦力,则有
f2=μN=μmgcosθ
从上面两个摩擦力表达式可以看出,f1随着θ的增大而增大。 达到最大值后,f2随着θ的增加而减小。 当θ为90°(即垂直时间)时,f2为零。
在这个过程中,可以画出下面的功能图来表示变化。
示例2 功能变化
(3)几何图形法
当物体与三个公共点力处于平衡状态时斜面上的拉力怎么求,三个公共点力的大小和方向必须符合平行四边形定律。 当平行四边形的对角线(即合力)大小和方向不变时,使用图中的几何形状。 其他量变化关系分析的方法就是几何图形法。 特别是当函数表达式难以书写或分析困难时,该方法更显示出其优越性。
例1中,T和N的合力大小相等,方向与G相反,这意味着平行四边形的对角线保持不变。
当绳子变长时,N的方向不变,可以使平行四边形T'和N'的对角线与以前相同。
从图中可以清楚地看出,T'和N'比T和N短。
那是T'
示例1 受力图
例3 光滑斜面与水平面的夹角为а。 将一个质量为m的球放在斜面上,用光滑的平板A挡住它,现在当板A与斜面的夹角θ缓慢变化时,板A在什么位置对球所受的力最小? 最小力是多少?
实施例3
分析:
如图所示,斜面上的支撑力N,板对球的作用力为T,其合力为G',与G的平方相等且相反。
当角度θ增大时,G'的大小和方向不变,N的方向不变(始终垂直于斜面)
改变的是T的大小和方向以及N的大小。
但改变时,T和N的合力仍应为G'(大小和方向不变),可以做出虚线所示的几个平行四边形。
从分析图可以看出:当T垂直于N时,线段最短,即此时T值最小。
可以得到当θ=90°时T=。
实施例3分析图