高中物理《力的平衡问题》常用解题方法

《力的平衡》常用解题方法【专题概述】
1 处理平衡问题的常用方法
2．一般解题步骤
(1)选取研究对象：根据题目要求，选取一个平衡体(单个物体或系统，也可以是结点)作为研究对象．
(2)画受力示意图：对研究对象进行受力分析，画出受力示意图．
(3)正交分解：选取合适的方向建立直角坐标系，将所受各力正交分解．
(4)列方程求解：根据平衡条件列出平衡方程，解平衡方程，对结果进行讨论．
3．应注意的两个问题
(1)物体受三个力平衡时，利用力的分解法或合成法比较简单．
(2)解平衡问题建立坐标系时应使尽可能多的力与坐标轴重合，需要分解的力尽可能少．物体受四个以上的力作用时一般要采用正交分解法
【典例精讲】
方法1 直角三角形法
用直角三角法解答平衡问题是常用的数学方法，在直角三角形中可以利用勾股定理、正弦函数、余弦函数等数学知识求解某一个力，若力的合成的平行四边形为菱形，可利用菱形的对角线互相垂直平分的特点进行求解．
【典例1】如图所示，石拱桥的正中央有一质量为m 的对称楔形石块，侧面与竖直方向的夹角为α，重力加速度为g ，若接触面间的摩擦力忽略不计，则石块侧面所受弹力的大小为
A.2 sin αmg
B.2 cos αmg
C.21
mgtan α
D.21
mgcot α
【答案】 A
直角三角形，且∠OCD 为α，则由21mg ＝F N sin α可得F N ＝2sin αmg
，故A 正确．
方法2 相似三角形法
物体受到三个共点力的作用而处于平衡状态，画出其中任意两个力的合力与第三个力等值反向的平行四边形中，可能有力三角形与题设图中的几何三角形相似，进而得到力三角形与几何三角形对应边成比例，根据比值便可计算出未知力的大小与方向．
【典例2】 如图所示，一个重为G 的小球套在竖直放置的半径为R 的光滑圆环上，一个劲度系数为k ，自然长度为L(L<2R)的轻质弹簧，一端与小球相连，另一端固定在圆环的最高点，求小球处于静止状态时，弹簧与竖直方向的夹角φ.
【答案】arccos kR －G kL
【解析】对小球B 受力分析如图所示，由几何关系有△AOB ∽△CDB ，
【典例3】如图所示，不计重力的轻杆OP 能以O 点为圆心在竖直平面内自由转动，P 端用轻绳PB 挂一重物，而另一根轻绳通过滑轮系住P 端．在力F 的作用下，当杆OP 和竖直方向的夹角α(0＜α＜π)缓慢增大时，力F 的大小应( )
A ．恒定不变
B ．逐渐增大
C ．逐渐减小
D ．先增大后减小
【答案】B 【解析】
由三角形相似得：PQ F ＝OQ mg ，F ＝OQ PQ
mg ，α逐渐增大，即PQ 增大，由上式知F 逐渐增大，B 正确．
方法3：正弦定理法
三力平衡时，三力合力为零．三个力可构成一个封闭三角形，若由题设条件寻找到角度关系，则可由正弦定理列式求解．
【典例4】一盏电灯重力为G，悬于天花板上A点，在电线O处系一细线OB，使电线OA与竖直方向的夹角为β＝30°，如图所示．
现保持β角不变，缓慢调整OB方向至OB线上拉力最小为止，此时OB与水平方向的夹角α等于多少？最小拉力是多少？
G
【答案】30°2
【解析】对电灯受力分析如图所示，据三力平衡特点可知：OA、OB对O点的作用力T A、T B的合力T与G等大反向，即T＝G①
【名师点评】相似三角形法和正弦定理法都属于数学解斜三角形法，只是已知条件不同而已．若已知三角形的边关系选用相似三角形法，已知三角形的角关系，选用正弦定理法．【典例5】如图所示，质量为m的小球置于倾角为30°的光滑斜面上，劲度系数为k的轻质弹簧一端系在小球上，另一端固定在墙上的P点，小球静止时，弹簧与竖直方向的夹角为30°，则弹簧的伸长量为()
A.k mg
B.2k 3mg
C.3k 3mg
D.k 3mg 【答案】 C
物体受三个共面非平行外力作用而平衡时，这三个力必为共点力．
【典例6】 如图所示，重为G 的均匀链条挂在等高的两钩上，链条悬挂处与水平方向成θ角，试求：
(1) 链条两端的张力大小； (2) 链条最低处的张力大小． 【答案】(1)2sin θG (2)2Gcot θ
【解析】(1)整个链条受三个力作用而处于静止，这三个力必为共点力，由对称性可知，链条两端受力必大小相等，受力分析如图甲．
由平衡条件得：2F sin θ＝G F ＝2sin θG .
(2)在求链条最低处张力时，可将链条一分为二，取一半链条为研究对象．受力分析如图乙所示，由平衡条件得水平方向所受力为
F ′＝F cos θ＝2sin θ
G cos θ＝2G
cot θ. 方法5：图解法
【典例7】如图所示，用一根长为l 的细绳一端固定在O 点，另一端悬挂质量为m 的小球A ，为使细绳与竖直方向成30°角且绷紧，小球A 处于静止，对小球施加的最小的力是 ( )．
A ．mg
B ．23
mg C ．21mg D ．33mg 【答案】C
【典例8】如图所示，小球用细绳系住，绳的另一端固定于O 点．现用水平力F 缓慢推
动斜面体，小球在斜面上无摩擦地滑动，细绳始终处于直线状态，当小球升到接近斜面顶端时细绳接近水平，此过程中斜面对小球的支持力F N以及绳对小球的拉力F T的变化情况是()．
A．F N保持不变，F T不断增大
B．F N不断增大，F T不断减小
C．F N保持不变，F T先增大后减小
D．F N不断增大，F T先减小后增大
【答案】D
【总结提升】
1直角三角形分析物体动态平衡问题时,一般物体只受三个力作用,且其中三个力的方向都没有发生变化，并且所构成的三角形是一个直角三角形，此时就可以用直角三角形解平衡了。

2 图解法的适用情况
图解法分析物体动态平衡问题时,一般物体只受三个力作用,且其中一个力大小、方向均不变,另一个力的方向不变,第三个力大小、方向均变化。

(3)用力的矢量三角形分析力的最小值问题的规律:
①若已知F合的方向、大小及一个分力F1的方向,则另一分力F2的最小值的条件为F1⊥F2;
②若已知F合的方向及一个分力F1的大小、方向,则另一分力F2的最小值的条件为F2⊥F合。

动态平衡类问题的特征:通过控制某些物理量,使物体的状态发生缓慢的变化,而在这个过程中物体又始终处于一系列的平衡状态,在问题的描述中常用“缓慢”等语言叙述。

3相似三角形分析动态平衡问题时,一般物体只受三个力作用,且其中一个力大小、方向均不变,另外两个力的方向都在发生变化，此时就适合选择形式三角形来解题了
4 正弦定理分析物体的平衡时，基本上会出现物体旋转的问题这时候就可以用正弦定理来解题了
【专练提升】
1．如图所示，水平地面上处于伸直状态的轻绳一端拴在质量为m的物块上，另一端拴在固定于B点的木桩上．用弹簧测力计的光滑挂钩缓慢拉绳，弹簧测力计始终与地面平行．物块在水平拉力作用下缓慢滑动．当物块滑动至A位置，∠AOB＝120°时，弹簧测力计的示数为F.则()．
F
A．物块与地面间的动摩擦因数为mg
B．木桩受到绳的拉力始终大于F
C．弹簧测力计的拉力保持不变
D．弹簧测力计的拉力一直增大
【答案】AD
2、如图所示，两球A 、B 用劲度系数为k 1的轻弹簧相连，球B 用长为L 的细绳悬于O 点，球A 固定在O 点正下方，且OA 之间的距离恰为L ，系统平衡时绳子所受的拉力为F 1.现把A 、B 间的弹簧换成劲度系数为k 2的轻弹簧，仍使系统平衡，此时绳子所受的拉力为F 2，则F 1与F 2的大小之间的关系为( )
A ．F 1>F 2
B ．F 1＝F 2
C ．F 1<F 2
D ．无法确定
【答案】 A
【解析】由图知棒受重力G ，上端绳拉力T ，水平绳拉力F 三力作用而平衡，知此三力为共点力，则将T 和F 反向延长与重力G 交于O ′点，因棒的重心在棒的中点，则由几何关系知l 1＝l 2，tan α＝l1h ，tan β＝l1＋l2h
，联立解得：tan α＝2tan β，所以A 项正确
3.(多选) 气象研究小组用图示简易装置测定水平风速，在水平地面上竖直固定一直杆，质量为m 的薄空心塑料球用细线悬于杆顶端O ，当水平风吹来时，球在水平风力的作用下飘起来．已知风力大小正比于风速，当风速v 0＝3m/s 时，测得球平衡时细线与竖直方向的夹角θ＝30°.则( )
A．细线拉力的大小为
B．若风速增大到某一值时，θ可能等于90°
C．细线拉力与风力的合力大于mg
D．θ＝30°时，风力的大小F＝mgtan 30°
【答案】AD
4如图所示，电灯悬挂于两墙之间，更换水平绳OA使连接点A向上移动而保持O点的位置不变，则A点向上移动时()
A．绳OA的拉力逐渐增大
B．绳OA的拉力逐渐减小
C．绳OA的拉力先增大后减小
D．绳OA的拉力先减小后增大
【答案】D
【解析】对O点受力分析，如图所示，利用图解法可知绳OA的拉力先变小后变大，故A、B、C错误，D正确．
5如图，运动员的双手握紧竖直放置的圆形器械，在手臂OA沿由水平方向缓慢移到A′位置过程中，若手臂OA、OB的拉力分别为F A和F B，下列表述正确的是()
A．F A一定小于运动员的重力G
B．F A与F B的合力始终大小不变
C．F A的大小保持不变
D．F B的大小保持不变
【答案】B
【解析】以人为研究对象，分析受力情况如图：
由图看出，F A不一定小于重力G，故A错误．人保持静止状态，则知F A与F B的合力与重力G大小相等、方向相反，保持不变，故B正确．由图看出F A的大小在减小，F B的大小也在减小，故C、D均错误．故选B
6如图所示，用AO、BO两根细线吊着一个重物P，AO与天花板的夹角θ保持不变，用手拉着BO线由水平逆时针的方向逐渐转向竖直向上的方向，在此过程中，BO和AO中张力的大小变化情况是()
A．都逐渐变大
B．都逐渐变小
C．BO中张力逐渐变大，AO中张力逐渐变小
D．BO中张力先变小后变大，AO中张力逐渐减小到零
【答案】D
7如图所示，小球放在光滑的墙与装有铰链的光滑薄板之间，当墙与薄板之间的夹角θ缓慢地增大到90°的过程中
①小球对薄板的正压力增大②小球对墙的正压力减小
③小球对墙的压力先减小，后增大④小球对木板的压力不可能小于球的重力
A.①②B．②④C．①③D．③④
【答案】B
8.如图所示，一光滑小球静止放置在光滑半球面的底端，用竖直放置的光滑挡板水平向右缓慢地推动小球，则在小球运动的过程中(该过程小球未脱离球面)，木板对小球的推力F1，半球面对小球的支持力F2的变化情况正确的是()
A．F1增大，F2减小B．F1减小，F2减小
C．F1增大，F2增大D．F1减小，F2增大
【答案】C
【解析】据题意，当小球在竖直挡板作用下缓慢向右移动，受力变化情况如图所示，所以移动过程中挡板对小球作用力增加；球面对小球作用力也增大，故选项C正确．
9如图所示，用一根细线系住重力为G、半径为R的球，其与倾角为α的光滑斜面接触，处于静止状态，球与斜面的接触面非常小，当细线悬点O固定不动，斜面缓慢水平向左移动直至绳子与斜面平行的过程中，下述正确的是().
A．细绳对球的拉力先减小后增大
B．细绳对球的拉力先增大后减小
C．细绳对球的拉力一直减小
D．细绳对球的拉力最小值等于G
【答案】C
10.如图所示，有一质量不计的杆AO，长为R，可绕A自由转动．用绳在O点悬挂一个重为G的物体，另一根绳一端系在O点，另一端系在以O点为圆心的圆弧形墙壁上的C点．当点C由图示位置逐渐向上沿圆弧CB移动过程中(保持OA与地面夹角θ不变)，OC绳所受拉
力的大小变化情况是()
A. 逐渐减小B．逐渐增大
C．先减小后增大D．先增大后减小
【答案】C
【解析】据题意，当细绳OC的C段向B点移动过程中，系统处于平衡状态，由图知拉力的大小也是先减小后增加，故选项C正确．
11半径为R的球形物体固定在水平地面上，球心正上方有一光滑的小滑轮，滑轮到球面B的距离为h，轻绳的一端系一小球，靠放在半球上的A点，另一端绕过定滑轮后用力拉住，使小球静止，如图所示，现缓慢地拉绳，在使小球由A到B的过程中，半球对小球的支持力F N和绳对小球的拉力F T的大小变化的情况是()
A．F N不变，F T变小B．F N不变，F T先变大后变小
C．F N变小，F T先变小后变大D．F N变大，F T变小
【答案】A
【解析】以小球为研究对象，分析小球受力情况：重力G，细线的拉力F T和半球面的支持力F N，作出
12.如图所示，不计重力的轻杆OP能以O为轴在竖直平面内自由转动，P端挂一重物，另用一根轻绳通过滑轮系住P端，当OP和竖直方向的夹角α缓慢增大时(0＜α＜π)，OP杆所受作用力的大小()
A. 恒定不变B．逐渐增大
C．逐渐减小D．先增大后减小
【答案】A
【解析】在OP杆和竖直方向夹角α缓慢增大时(0＜α＜π)，结点P在一系列不同位置处于静态平衡，以结点P为研究对象，如图甲所示，
13. 如图所示，小圆环A吊着一个质量为m2的物块并套在另一个竖直放置的大圆环上，有一细线，一端拴在小圆环A上，另一端跨过固定在大圆环最高点B的一个小滑轮后吊着一个质量为m1的物块．如果小圆环、滑轮、细线的大小和质量以及相互之间的摩擦都可以忽略不计，细线又不可伸长，若平衡时弦AB所对应的圆心角为α，则两物块的质量之比
应为
A. cos B．sin C．2sin D．2sin α
【答案】C
【解析】因小圆环A受拉力m2g，细线BA的拉力F T及大圆环的弹力F N作用而处于平衡状态，则此三个力一定可以组成一封闭的矢量三角形，此力的三角形一定与几何三角形OAB相似，即有＝，而F T＝m1g，AB＝2Rsin，所以＝＝2sin
14. (多选)如下图所示，在粗糙水平地面上放着一个截面为四分之一圆弧的柱状物体A，A的左端紧靠竖直墙，A与竖直墙壁之间放一光滑球B，整个装置处于静止状态．若把A向右移动少许后，它们仍处于静止状态，则()
A．A对B的支持力减小B．A对B的支持力增大
C．墙对B的弹力减小D．墙对B的弹力增大
【答案】AC。