动态平衡:动态平衡问题是高中物理平衡问题中的一个难点,动态平衡就是通过控制某物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,但变化过程中的每一个状态均可视为平衡状态,所以叫动态平衡。 1.动态平衡问题中的“三看”与“三想” (1)看到“缓慢”,想到“物体处于动态平衡状态。” (2)看到“轻绳、轻环”,想到“绳、环的质量可忽略不计”。 (3)看到“光滑”,想到“摩擦力为零”。 2.动态平衡问题中的常用方法 一、合成法与分解法 合成法:当物体在三个共点力的作用下处于平衡状态, 则任意两个力的合力一定与第三个力大小相等、方向相反;“力的合成法”是解决三力平衡问题的基本方法。 效果分解法:当物体受到三个共点力的作用时,是将某个力按效果分解,其分力与其他两个力构成平衡条件。 正交分解法:当物体受到三个或以上力的作用且这些力共点时,将所有力沿两个相互垂直的方向分解,每个方向上的力都满足平衡条件。 二、动态解析法 动态解析法:对研究对象的任一状态进行受力分析,先画出受力示意图,再根据物体的平衡条件列式求解,得到因变量与自变量的函数表达式(通常为三角函数关系),最后根据自变量的变化确定因变量的变化。 三、动态图解法 (1)图解法:物体受到三个力的作用,其中一个力的大小、方向均不变,另一个力的方向不变,此时可用图解法,根据平行四边形定则或三角形定则,画出不同状态下力的矢量图,判断各个力的变化情况。 (2)适用情境:物体在三个力的作用下平衡,其中一个力(F1)大小和方向都恒定(通常是重力,有多个恒力时可以先合成为一个恒力),一个力(F2)方向恒定,一个力(F3)方向变化。 (1)矢量三角形法:物体在三个力的作用下平衡,将三个力的矢量首尾相连构成闭合三角形,根据边的长短变化来判断力的大小变化。 (2)适用情境:其中一个力为恒力(F1)大小和方向均不变,通常为重力,也可以是其他力;第二个力(F2)的方向不变,大小变化;或者大小不变,方向改变;第三个力(F3)大小和方向均发生变化的问题。 (1)相似三角形法:物体在三个力的作用下平衡,画出受力分析图,将三个力的矢量首尾相连构成闭合三角形,再寻找与力的三角形相似的几何三角形,建立比例关系,把力的大小变化问题转化为几何三角形边长的大小变化问题从而得出结论。 (2)适用情境:其中一个力(F1)大小和方向不变;其他两个力的方向均发生变化。 六、动态辅助圆法 (1)第一种辅助圆法:物体在三个力的作用下平衡,画出受力分析图,将三个力的矢量首尾相连构成闭合三角形。第一种情况以不变的力为弦作个圆,在辅助的圆中可容易画出两力夹角不变的力的矢量三角形,从而轻易判断各力的变化情况。 (2)适用情境:其中一个力(F1)大小和方向不变;另外两个力大小和方向都在改变,但变化的两个力的夹角不变; (3)第二种辅助圆法:物体在三个力的作用下平衡,画出受力分析图,将三个力的矢量首尾相连构成闭合三角形。第二种情况以大小不变,方向变化的力为半径作一个辅助圆,在辅助的圆中可容易画出一个力大小不变、方向改变的力的矢量三角形,从而轻易判断各力的变化情况。 (4)适用情境:其中一个力(F1)大小和方向不变;第二个力(F2)大小不变,方向改变;第三个力(F3)大小和方向都在改变; 七、力的正弦定理(拉密定理) (1)力的正弦定理(拉密定理):物体在三个力的作用下平衡时,三个共点力的合力为零,其中任一个力与其它两个力夹角正弦的比值相等,即:F1/sinα=F2/sinβ=F3/sinγ ,其中 F1、F2、F3 是三个共点力,α、β、γ 是这三个力之间的夹角。 (2)也可由三力平衡构造矢量三角形,根据矢量三角形的一个内角和与其相邻的外角互补,可得F1/sin(π-α)=F2/sin(π-β)=F3/sin(π-γ) ,这个定理的证明可以通过几何和三角函数的知识来推导。 (3)适用情境:已知一力(F1)为恒力(大小方向均已知)和一不变角。 八、力的极值法 (1)根据物体的平衡条件列方程,在解方程时利用数学知识求极值。通常用到的数学知识有二次函数求极值、讨论公式求极值、三角函数求极值以及几何法求极值等。 (2)根据图解法,如将动摩擦力与其相应的弹力合成,其合力方向确定,从而将四力问题转化为三力问题,为图解法创造条件。若其中一个力大小、方向均不变,另有一个力方向不变时,则第三个力存在极值。 |
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