3.共点力平衡的几种常用解法:
(1)力的合成与分解法
(2)正交分解法
(3)相似三角形法
(4)三力汇交原理
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类型一整体法和隔离法的应用
[例1]三根不可伸长的相同的轻绳,一端系在半径为r0的环1上,彼此间距相等,绳穿过半径为r0的第3个圆环,另一端用同样方式系在半径为2r0
的圆环2(如图)环1固定在水平面上,整个系统处于平衡。试求第2个环中心与第3个环中心之距离。(三个环都是用同种金属丝制作的,摩擦不计)
导示:由于对称性,每根绳子上的张力大小相等,设为T。设1、3两环的质量为m,则2环的质量为2m。
对2、3两环整体有:2mg+mg=3T;
对环2有:2mg=3Tsinθ
解得:![]()
所以,2、 3两环中心距离d=![]()
[例2](山西省实验中学08届高三第二次月考试题)一个底面粗糙,质量为m的劈放在水平面上,劈的斜面光滑且倾角为30o,如图所示。现用一端固定的轻绳系一质量也为m的小球,绳与斜面夹角为30o。
(1)当劈静止时绳子的张力及小球对斜面的压力各为多大?
(2)若地面对劈的最大静摩擦力等于地面对劈的支持力的K倍,为使整个系统静止,K值必须满足什么条件?
导示:(1)对小球受力分析如图甲所示:
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根据根据平衡条件得:
…
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解得:
;
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(2)对小球和斜面系统受力分析如图乙所示,根据根据平衡条件得有:
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;
由摩擦力公式得:![]()
系统处于静止,则![]()
所以, ![]()
类型二空间力的分析
对于空间力,我们可以从不同角度观察物体受力情况,把空间力转化为平面力进行处理。
[例3]如图所示,长方形斜面倾角为37°,其长为0.8m,宽为0.6m,一重为25N的木块原先在斜面上部,它与斜面间的动摩擦因数μ=0.6,要使木块沿对角线AC方向匀速下滑,需对它施以平行于斜面多大的力F?(已知sin37°=0.6,cos37°=0.8)
导示:从垂直斜面方向看,木块在斜面平面内的受力情况如图所示,F只有垂直AC时木块才能受力平衡,
所以,F=(mgsin37°)·sin37°=9N。
类型三规律探究题分析
[例4].当物体从高空下落时,所受阻力会随物体的速度增大而增大,因此经过下落一段距离后将匀速下落,这个速度称为此物体下落的收尾速度。研究发现,在相同环境条件下,球形物体的收尾速度仅与球的半径和质量有关.下表是某次研究的实验数据:
|
小球编号 |
A |
B |
C |
D |
E |
|
小球的半径(×10-3m) |
0.5 |
0.5 |
1.5 |
2 |
2.5 |
|
小球的质量(×10-6kg) |
2 |
5 |
45 |
40 |
100 |
|
小球的收尾速度(m/s) |
16 |
40 |
40 |
20 |
32 |
(1)根据表中的数据,求出B球与C球在达到终极速度时所受阻力之比.
(2)根据表中的数据,归纳出球型物体所受阻力f与球的速度大小及球的半径的关系(写出有关表达式、并求出比例系数).
(3)现将C号和D号小球用轻质细线连接,若它们在下落时所受阻力与单独下落时的规律相同.让它们同时从足够高的同一高度下落,试求出它们的收尾速度;并判断它们落地的顺序(不需要写出判断理由).
导示:(1)球在达到终极速度时为平衡状态,有:
f =mg ①
则fB:fC =mB :mC ②
带入数据得fB:fC=1:9 ③
(2)由表中A、B球的有关数据可得,阻力与速度成正比;即
④
由表中B、C球有关数据可得,阻力与球的半径的平方成正比,即
⑤
得
⑥
k=4.9Ns/m3 (或k=5Ns/m3) ⑦
(3)将C号和D号小球用细线连接后,其收尾速度应满足mCg+mDg=fC +fD ⑧
即mCg+mDg=kv(rC2+rD2) ⑨
代入数据得 v=27.2m/s ⑩
比较C号和D号小球的质量和半径,可判断C球先落地。
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