高一物理竞赛讲义第7讲教师版

掌握了基本的力的知识，我们就来继续探索一下物体的平衡需要哪些有关于力的方程来约束。首先，因为运动分成平动和转动两种，所以平衡也分平动的平衡和转动的平衡两种。平动的平衡就是我们说的受力平衡。转动的平衡就是力矩平衡。回忆一下初中我们如何处理平衡问题？二力平衡：两个力大小相等，方向相反，作用在同一直线上三力平衡（高中）：相互平行的三个力，和二力平衡处理起来没有本质区别；如果三力共点，那么可以用力的矢量三角形法则处理。也可以用力的正交分解方法处理。其中三角形的方法比较需要几何知识，正交分解的方法，比较需要解方程能力。共点力平衡的正交分解方法：（请思考为什么三力平衡必共点）运用坐标系和力的正交分解可以归纳出静力学一般解题步骤。①受力分析：对题目中每个个体或者你所选定的系统找出其受的各种力，并且画出受力图。为了防止漏力，要养成按一般步骤分析的好习惯，一般应先分析重力；然后环绕物体一周，找出跟研究对象接触的物体，并逐个分析这些物体对研究对象的弹力和摩擦力，最后分析其他场力（电场力、磁场力）等。②根据受力分析得到的力是立直角坐标系，要求需要分解的力越少越好。③根据直角坐标系对各种力进行正交分解（其中某个方向的力可正可负）。④由平衡关系写出2020FxFy此即最后的静力学方程。⑤根据此方程可解出所需要的问题。正交分解处理受力平衡的技巧：取正交分解的时候，我们的原则是，建立一个直角坐标系，最好沿着某一方向上，完全没有某个“无关”的力知识点睛温馨寄语第7讲力的平衡（一）【例1】均匀长棒一端搁在地面上，另一端用细线系在天花板上，如图所示，若细线竖直，试分析棒的受力情况。【解析】注意这里棒不受摩擦力【例2】如图三根长度均为l的轻杆用段链连接并固定在水平天花板上的A、B两点，AB两点相距2l，会在段链C上悬挂一个质量为m的重物，要使CD杆保持水平，则在D点上应施加的最小力为多少？【解析1】受力分析：解：①对C点进行受力分析.②对D点进行受力分析.③对C建立坐标系对力进行正交分析，求2T.123cos30mgmg3TT⇒12sin30TT④从D点受力分析可以知道对D点用力最小为2sin60TFmin1mg2F【解析2】用力矩解（可以在板块二中讲解）把ABCD包括重物考虑成一个系统，一共受四个力A点、B点的墙对杆力，C受一个重力，D点一个外力，AC杆、BD杆力都沿杆，则必过一个交点E（如图）则对E点只要C点的重力，和所求的一个外力，要求力矩平衡并且F最小，则F的力臂应最长为DE，则mgsin30FDECE例题精讲mg2F【例3】两个质量为M，半径为R的相同圆球A和B，用两根长为l（2lR）的绳悬挂于O点，在两球上另有一质量为m（mnM），半径为r（2Rr）的圆球C，如图，已知三球的表面光滑，试讨论此系统处于平衡时，绳与竖直线的夹角与n的关系.【解析】该图对称，可只考虑半边，对A球、C球分析。①受力分析A球：C球：②建立直角坐标系，并受力分解，写出力平衡方程.A球：coscosMgTNsinsinTnC球：2Ncos=mg=Mgna和有关联：sin323sin2aRR⇒2443sin16(1)nnn且1sin3≥即两球相交∴24431108101.316(1)927nnnn≥⇒≤①若1.3n，系统不能平衡.②1.3n系统平衡，且此时A、B无作用力③1.3n，A：A、B球分开2443arcsin16(1)nnnB：A、B接触，则1arcsin3【例4】一重为W的匀质球静止于倾角为1和2的两固定斜面之间，如图，设所有接触面都光滑，求斜面作用于球上的力。【解析】①受力分析.②建立坐标系，受力分解，写出力平衡方程.1122coscosNWN1122sinsinNN.2121112sinsin()cossincosWWN1221sinsin()WN【例5】质量均为m的两环A、B用长为a的细线相连在水平杆上，在细线的中点拴有一质量为M的物块C，如图，A、B环与杆间的静摩擦系数为，求平衡情况下的两环的最大距离x.【解析】①受力分析：环：M：②建立坐标系，受力分解：环：cos2(1)sinNmgTmtgfNTM⇒M：2cosTM∴2222(1)2sin21(1)maMxamM相互作用——力我们的高中教材中提到了四种相互作用。其中万有引力相互作用是很好理解的，质量本身的存在就产生了引力。类似的只要有电荷，或者有电流，就有电磁相互作用。存在相互作用，存在和距离有关的力，就必然有相应的势能。同样的有了新的势能，就必然有新的对应的相互作用，或者力。历史上，强弱两种相互作用就是这样发现的。随着实验技术的进步，人们在研究基本粒子，放射性等涉及原子核，以及原子核的结构的实验的时候，发现了很多用引力和电磁力解释不了的现象。人们发现了在衰变中，仅仅用电磁力和引力，能量是不守恒的。多余出来的能量，通过研究，发现它是一种新的势能，所以就由此定义了弱相互作用。后来，费曼等等物理学家通过大量实验和复杂的数学，把电磁相互作用和弱相互作用统一了起来，叫做电弱相互作用。他们的理论可以简单理解为：电磁相互作用是电弱相互作用在宏观的表现；弱相互作用是微观的表现。而关于强相互作用，因为作用距离很小，也就是它产生势能的范围很小，能量很高，很不稳定，研究起来困难重重。所以现在人们虽然定义了强相互作用，但是对于强相互作用的理解，还有待于进一步的拓展。板块二力矩及刚体平衡1．力矩讲力矩首先要规定矩心，就是对什么点的力矩，如图，取点O为矩心（也就是转动的“中心”，其实是一个轴和平面的焦点），r是从矩心到力的作用点的径矢，则力F对0的力矩O是r跟F的夹角。通常还按右手螺旋法则规定力矩的方向，即垂直于r和F所在平面，且当右手螺旋从r的方向转到F的方向，其前进方向即M的方向。（关于力矩的大小和方向的以上规定常常也表示为矢量式MrF×）.这里一定要注意，力矩和运动一样，一定要先选定参考点才可以去讨论力矩，同时力矩作为一个矢量，其加减也是对于同一个参考点下的力矩。附录：矢量与矢量的乘积分均点乘和叉乘点乘：||||cosabab乘积结果为一个标量.叉乘：||||sinabab×叉乘结果的还是一个矢量，大小为前式的表达，该矢量的方向：垂直于a和b确定的平面，并由右手螺旋定则确定方向。2．刚体平衡条件知识点睛①刚体：是指整体及其各部分的形状和大小均保持不变的物体，显然这也是对客观物体的一个抽象，但是质点的抽象更具体一些，因为给出了形状。同时刚体也正因为有了形状，其运动方式要比质点更复杂，除了平动以外，还有刚体可以绕着任意一点做转动。②刚体的平衡：单纯力给出物体的平动，而力矩可以使物体绕着某个点转动，因此，要让刚体平衡，必须满足两个条件.20F⇒合力为0.20M⇒相对于任意一点的合力矩为0.注意：作用在同一刚体（或系统）但不同作用点的力可以平移到同一点进行合力，不同作用点的效果由力矩来体现.③力偶与偶矩对大小相等，方向相反但不共线的力，称为力偶.对力偶的合力为0，但它们对任意一定点的力矩不为0.12121121121rFrFrFrFrF××××二力平衡对于一个受两个力的物体，这两个力必须方向相反，并在同一直线上才能使该物体平衡了。三力平衡如果一个刚体只受三个力作用，而且这三个力不平行，那么，由于合力为0，这三个力必共面且相交于一点，如果三力不共点，则第三个力和前二个力的合力会构成一个力偶。如果三力不共面，则三力的合力必不为0，所以一个物体受三个力三力必共面共点.【例6】如图所示一个均匀的质量为1m的球挂在天花板上，从同一点挂一个重物质量为2m。问所成角度。【解析】：相对于O点的总力矩为0.12mgsinmg(sin)lrl∴1212sin[]()mRlmm该题如果用变力分析去解题，对悬挂2m的绳对大球的支持力的方向比较困难，而用力矩去解题，显得尤为简单【例7】如图，一个半径为R非均匀质量光滑的圆球，其重心不在球心O处，先将它置于水平地面上，例题精讲平衡时球面上的A点和地面接触；再将它置于倾角为30的粗糙斜面上，平衡时球面上的B点与斜面接触，已知A到B的圆心角也为30，试求球体的重心C到球心O的距离.解：放在斜面上，球受重力支持力和摩擦力，三力共点必过B点的重心在过B于平面垂直的直线上。即BC，又放在水平面上A点落地，则此时球受重力和支持力，则球重心必在OA连线上，则重心位置在C点.333OBCOr⇒【例8】有一长l重为0W的均匀杆AB，A顶端竖直的粗糙墙壁上，杆端与墙间的摩擦系数为，B端用一强度足够而不可伸长的绳悬挂，绳的另一端固定在墙壁C点，木杆呈水平状态，绳与杆的夹角为（如图），求杆能保持平衡时与应满足的条件。杆保持平衡时，杆上有一点P存在，若A与P点间挂一重物，则W足够大可以破坏平衡了，而在PB间任一点悬挂任意重物均不能破坏平衡。求PA距离x.【解析】：受力分析力平衡cosTN0sin5TWW力矩平衡：以A为支点，0sin2lTlWWx∴0fWWNtgN≤02WxNtgwl∴000()22WWxx≤(+w)ctg∴00()()22WWxx≤①当不挂生物0W则tg≥②00(1)(1)2Wxuctgwctgwl≤w取穷大，则上式仍成立.∴(1)101xlctgxlctg≥⇒≥【例9】有一个半径为a，高为4a，重为w的两端开口的薄壁圆筒，现将筒竖放在光滑的水平面上，之后将半径为r，重为G的两个完全相同的光滑圆球放入筒内而呈叠放状态，如图，当22ara时，试求使圆筒不翻倒的条件.解：先看一个直角三角形对O进行受力分析∴cossinNTNG⇒2221sin2arTGctgGararNGGara再对受力分析考虑以A为支点，考虑翻倒则地面给筒的支持力N的作用点移到A点.则不翻倒条件。222Tarawa≤∴(22)Garwa≤∴22Garwa≤【例10】如图所示，半径分别为r1和r2的两个均匀圆柱体置于同一水平面上，在大圆柱上绕有一根细绳，通过细绳对大圆柱施以水平拉力P。设所有接触处的静摩擦因数均为μ。为使在力P的作用下，大圆柱能翻过小圆柱，问μ应满足何条件？【例8】两根等长的细线，一端拴在同一悬点O上，另一端各系一个小球，两球的质量1m和2m，已知两球间存在大小相等，方向相反的斥力而使两线张开一定角度．分别为45和30，如图1示，则12/mm为多少？【解析】方法一：力的三角形法则解，先对两球进行受力分析1m：2m：∴12sin301sin452mm方法二：用力矩平衡12sin45sin30mglmgl1212mm【例11】？解：以三球整体考虑，B点受一重力，C点受一弹力，即可求杆对其支持力（用三力平衡），杆要保持平衡、可求P.sinNG以A点为支点cosPPlMN的臂EDCECD=21sinsinCBrctg=21(2sin)sinrctg∴cosPlNED∴23cos(2tan)sincosGrTl答案有错【例12】四个半径均为R的光滑球，静止于一个水平放置的半球形碗内，该四球球心恰在同一水平面上，现将一个相同的第五个球放在前边四球之上，而此系统仍能维持平衡，求碗的半径为多少？力学三角形临界状态A、B恰相碰但无作用力，则45∴2222226()()224DACACADANGNNNG⇒22CANG⇒设0a为碗半径∴10264(2131)224DAACGNaRDAaRACNRG⇒1．有两个质量分别为1m和2m的光滑小环，套在竖直放置且固定的光滑大环上，两环以细线相连，如图，已知细线所对的圆心角为，求系统平衡时细线与竖直方向间所夹的