3.弹力的大小

对有明显形变的弹簧,弹力的大小可以由胡克定律计算。对没有明显形变的物体,如桌面、绳子等物体,弹力大小由物体的受力情况和运动情况共同决定。

(1)胡克定律可表示为(在弹性限度内):F=kx,还可以表示成ΔF=kΔx,即弹簧弹力的改变量和弹簧形变量的改变量成正比。

(2)“硬”弹簧,是指弹簧的k值较大。(同样的力F作用下形变量Δx较小)

(3)几种典型物体模型的弹力特点如下表。

项目
轻绳
轻杆
弹簧

 

形变情况
伸长忽略不计
认为长度不变
可伸长可缩短

 

施力与受力情况
只能受拉力或施出拉力
能受拉或受压可施出拉力或压力
同杆
力的方向
始终沿绳
不一定沿杆
沿弹簧轴向
力的变化
可发生突变
同绳
只能发生渐变

[例5]如图所示,两物体重力分别为G1、G2,两弹簧劲度系数分别为k1、k2,弹簧两端与物体和地面相连。用竖直向上的力缓慢向上拉G2,最后平衡时拉力F=G1+2G2,求该过程系统重力势能的增量。

解析:关键是搞清两个物体高度的增量Δh1和Δh2跟初、末状态两根弹簧的形变量Δx1、Δx2、Δx1/、Δx2/间的关系。

无拉力F时  Δx1=(G1+G2)/k1,Δx2= G2/k2,(Δx1、Δx2为压缩量)

加拉力F时  Δx1/=G2/k1,Δx2/= (G1+G2) /k2,(Δx1/、Δx2/为伸长量)

而Δh1=Δx1+Δx1/,Δh2=(Δx1/+Δx2/)+(Δx1+Δx2)

系统重力势能的增量ΔEp= G1žΔh1+G2žΔh2

整理后可得:

2.方向

(1)压力、支持力的方向总是垂直于接触面。

(2)绳对物体的拉力总是沿着绳收缩的方向。   

(3)杆对物体的弹力不一定沿杆的方向。如果轻直杆只有两个端点受力而处于平衡状态,则轻杆两端对物体的弹力的方向一定沿杆的方向。     

[例1] 如图所示,光滑但质量分布不均匀的小球的球心在O点,重心在P点,静止在竖直墙和桌边之间。试画出小球所受弹力。

解析:由于弹力的方向总是垂直于接触面,在A点,弹力F1应该垂直于球面,所以沿半径方向指向球心O;在B点弹力F2垂直于墙面,因此也沿半径指向球心O。

点评:注意弹力必须指向球心,而不一定指向重心。又由于F1、F2、G为共点力,重力的作用线必须经过O点,因此P和O必在同一竖直线上,P点可能在O的正上方(不稳定平衡),也可能在O的正下方(稳定平衡)。

[例2] 如图所示,重力不可忽略的均匀杆被细绳拉住而静止,试画出杆所受的弹力。

解析:A端所受绳的拉力F1沿绳收缩的方向,因此沿绳向斜上方;B端所受的弹力F2垂直于水平面竖直向上。

点评:由于此直杆的重力不可忽略,其两端受的力可能不沿杆的方向。

杆受的水平方向合力应该为零。由于杆的重力G竖直向下,因此杆的下端一定还受到向右的摩擦力f作用。

[例3] 图中AC为竖直墙面,AB为均匀横梁,其重为G,处于水平位置。BC为支持横梁的轻杆,A、 B、C三处均用铰链连接。试画出横梁B端所受弹力的方向。

解析:轻杆BC只有两端受力,所以B端所受压力沿杆向斜下方,其反作用力轻杆对横梁的弹力F沿轻杆延长线方向斜向上方。

[例4]画出图中物体A所受的力(P为重心,接触面均光滑)

解析:判断弹力的有无,可以采用拆除法:“拆除”与研究对象(受力物体)相接触的物体(如题中的绳或接触面),如果研究对象的运动状态不发生改变,则不受弹力,否则将受到弹力的作用。各图受力如下图所示。

 0  276837  276845  276851  276855  276861  276863  276867  276873  276875  276881  276887  276891  276893  276897  276903  276905  276911  276915  276917  276921  276923  276927  276929  276931  276932  276933  276935  276936  276937  276939  276941  276945  276947  276951  276953  276957  276963  276965  276971  276975  276977  276981  276987  276993  276995  277001  277005  277007  277013  277017  277023  277031  447090 

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