要知道二力平衡條件,先要了解什麼叫平衡狀态,平衡狀态與受力情況。
平衡狀态,物體受到二個力或二個以上的力,其作用效果相互抵消而處于靜止或勻速直線運動狀态。其中,靜止狀态叫靜平衡,勻速直線運動狀态叫動平衡。
牛頓第一定律告訴我們,一切物體在沒有受到力的作用時,總保持靜止狀态或勻速直線運動狀态。即物體不受力時,其運動狀态也是不改變的。牛頓描述的“不受力”情況,在地球上是不存在的,隻有在太空中,才可以看到牛頓第一定律所描述的物理現象。根據牛頓第一定律,物體不受力時,其運動狀态是不會改變的。反之,要改變物體的運動狀态,必須對物體施加力的作用,這個力,如果是非平衡力,運動狀态才改變,如果是平衡力,運動狀态也會不改變。所以,物體運動狀态不改變有二種情況:受到平衡力的作用或者不受力,處于平衡狀态的物體至少受到二個力的作用,這就是二力平衡。
二力平衡條件是什麼呢?下圖是總結二力平衡條件的實驗。實驗原理,力能改變物體的運動狀态。實驗器材,小車、棉線、鈎碼、滑輪等。
實驗操作方法。把小車放在光滑的水平桌面上,向小車兩端的托盤裡放鈎碼,觀察小車的運動狀态的改變情況。用手按住小車,改變兩端鈎碼數量,然後松手,觀察小車能否保持靜止。用手按住小車,讓兩端托盤的鈎碼數量相等,且兩個力的方向相同,觀察小車能不能保持靜止。用手按住小車,使兩端鈎碼數量相等,讓小車扭轉一個角度,觀察小車能否保持靜止。用手按住小車,讓兩端 鈎碼數量相等,使小車受到的拉力方向相反,且在同一條直線上,觀察小車能不能保持靜止。
該實驗中,小車在水平方向運動的桌面為什麼要越光滑越好?這是因為該實驗是研究二力平衡,如果小車受到的摩擦阻力不能忽略,小車在水平方向就會受到三個力的作用。所以,桌面光滑,就可以理想化小車在水平方向隻受到兩個拉力的作用。另外,增加鈎碼的質量,使兩個拉力遠大于摩擦力,可以減小摩擦阻力對實驗的影響。
最後得出結論:作用在同一物體上的二個力,如果大小相等,方向相反,并且在同一條直線上,這二個力就平衡。一般情況下,教師都總結為八字口訣:同體、等值、反向、共線。并稱為二力平衡的四條件。缺一不可。下圖就是一個例子。
二力平衡在日常生活中有廣泛的應用。已知一個力的大小可以推知另一個力的大小。例如,水平行駛的火車,不考慮空氣的阻力作用,如果作勻速直線運動,已知牽引力的大小可以推知摩擦力的大小。已知火車重力大小,可以推知火車受到支持力(彈力、壓力)的大小。
重心是物體的重力作用點,規則物體的重心在它的幾何中心,而不規則物體的重心就要利用二力平衡知識尋找它的重心。如下圖,用一根線在不規則物體的A處挂起來,并沿着懸挂線畫一條直線AB。用線在C處挂起來,并沿着懸挂線畫一條直線CD,則AB和CD交叉點O就是不規則物體的重心,其基本原理就是利用了二力平衡條件。
證明方法是這樣的,兩次懸挂時,不規則物體都受到重力和線對它産生的拉力,由于物體是靜止的,這兩對力均是平衡力,重力作用線和線對它的拉力作用線必在同一條線上,即重力的作用點既在直線AB上,又在直線CD上,兩條直線的交點O必然是不規則物體的重心。
二力平衡與物體的運動狀态。物體受到平衡力的作用時,總保持靜止或勻速直線運動狀态。相當于物體不受力,但不能說物體不受力。例如,用彈簧測力計測量物體所受重力時,放在桌面上的物體受到豎直向下的重力和桌面對他豎直向上的支持力,懸挂着的電燈,受到豎直向下的重力和吊線對它豎直向上的拉力,都是二力平衡使物體處于靜止狀态。在水平道路上勻速直線運動的汽車,水平方向受到向前的牽引力和向後的阻力,是二力平衡使物體處于動平衡狀态。
同一條直線上的二個力可能平衡,也可能不平衡,如果不平衡,我們可以用等效替代法來描述,即用合力來描述。 一個力的作用效果與二個力的作用效果相同,則這個力叫做這二個力的合力,這二個力叫做合力的分力。
合力的計算方法。當F1 、F2方向相同時,F合= F1 F2,合力的方向與F1 、F2方向相同。當F1 、F2方向相反時,F合=| F1 —F2|,合力的方向與較大的力方向相同。
當物體受到的合力不為零時,物體的運動狀态是不斷改變的。有的由靜到動,有的由動到靜,有的由快變慢,有的由慢變快,有的運動方向發生改變(曲線運動)。當物體受到的合力為零,物體運動狀态是不改變的。
當合力方向與物體運動方向相同時,物體運動的速度由小變大。當合力方向與物體的運動方向相反時,物體運動的速度由大變小。當合力方向與物體運動方向不在一條直線上時,物體運動的速度方向不斷改變,物體作曲線運動。
不論是初中學生還是高中學生,二力平衡力與相互作用力始終是易混淆的難點或曰重點。這是由于二力平衡力與相互作用力有三個相同點,隻有一個不同點。相同點:大小相等、方向相反、在同一條直線上。不同點:平衡力是作用在同一物體上的兩種力。
而相互作用力是作用在不同物體上的一種力,用示意圖表示: 二力平衡是A→B←C,相互作用力是 A ↔C。
判斷物體受到兩個力是否為一對平衡力,首先要看清楚這兩個力作用點是否在同一個物體上,然後,再看其他三個條件是否同時滿足。也可以看物體在這兩個力的作用下能否保持靜止狀态或勻速直線運動狀态。
特别提醒,豎直上抛物體在最高處的瞬時速度為零,并不屬于靜止,不屬于二力平衡。同理,物體擺動時,擺動到最高點時,也不屬于靜止狀态。二力平衡還包括廣義上的力矩平衡,處于力矩平衡的物體,物體是靜止或勻速轉動狀态。
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