浙江 周 凱
以力的三角形為切入點,解決動態平衡問題。
縱觀各地高考和名??荚囌骖},在三力平衡當中,有一類較為有趣的問題—動態平衡,指的是在某一物理情景當中,控制某一個條件緩慢變化從而引起物體受力情況相應地發生變化,在這一個過程中,物體處于一系列的平衡狀態。此類問題涉及題型多,而且同一個題型解法也不是唯一的,所以筆者這里嘗試將這一類問題的多個題型,均從力的矢量三角形視角進行梳理,以期與各位同好交流學習。
如圖1.1所示,一個物體在三個力作用下保持平衡,合力為0。我們可以依據三角形法則將作用力平移成圖1.2所示力的矢量三角形。由于在動態平衡問題當中,一般物體都只受三個力,所以可以將動態平衡的問題以力的矢量三角形為基礎,進行分析。
圖1.1
圖1.2
在此觀點下,解決所有動態平衡問題的第一步都是受力分析,并依據三角形法則,畫力的矢量三角形,而又因為后續方法操作不同,筆者將其分為五類—圖解法三角形、相似三角形、全等三角形、恒等腰三角形和圓內接三角形。
【例1】(2016年全國卷Ⅱ)質量為m的物體用輕繩AB懸掛于天花板上。用水平向左的力F緩慢拉動繩的中點O,如圖2.1.1所示。用FT表示繩OA段拉力的大小,在O點向左移動的過程中
( )
圖2.1.1
A.F逐漸變大,FT逐漸變大
B.F逐漸變大,FT逐漸變小
C.F逐漸變小,FT逐漸變大
D.F逐漸變小,FT逐漸變小
【解題過程】第一步,以O點為研究對象進行受力分析,O點受力情況如圖2.1.2所示:
圖2.1.2
根據物體所受合力為0,將其平移為力的矢量三角形如圖2.1.3所示,再根據題意,O點向左移動意味著在力的矢量三角形當中,FT這一條邊順時針轉動,如圖2.1.4所示,易得F和FT都變大。故選A。
圖2.1.3
圖2.1.4
【方法要點】這一種方法筆者稱之為圖解法三角形,它的適用條件非常明顯,需要有一個恒力,一個方向不變的力即定向力和一個變力。我們可以提取出幾個關鍵詞—“恒,定,變”。
【拓展】這一類題目還可以拓展出變力最小值問題,畫矢量三角形可知,當變力和定向力垂直的時候有最小值。
【例2】一輕桿BO,其O端用光滑鉸鏈固定在豎直輕桿AO上,B端掛一重物,且系一細繩,細繩跨過桿頂A處的光滑小滑輪,用力F拉住,如圖2.2.1所示?,F將細繩緩慢往左拉,使桿BO與桿AO間的夾角θ逐漸減小,則在此過程中,拉力F及桿BO所受壓力FN的大小變化情況是
( )
圖2.2.1
A.FN先減小,后增大 B.FN始終不變
C.F先減小,后增大 D.F始終不變
圖2.2.2
【方法要點】這一種方法筆者稱之為相似三角形,它的適用條件也非常明顯,需要有一個和矢量三角形相似的幾何三角形,而這個幾何三角形存在于物理結構中。關于受力的特點,受到一個恒力和兩個變力,我們也可以提取出幾個關鍵詞—“恒,變,變”。
【例3】(2017年天津卷)如圖2.3.1所示,輕質不可伸長的晾衣繩兩端分別固定在豎直桿M、N上的a、b兩點,懸掛衣服的衣架鉤是光滑的,衣服掛于繩上處于靜止狀態。如果只人為改變一個條件,當衣架靜止時,下列說法正確的是
( )
圖2.3.1
A.繩的右端上移到b′,繩子拉力不變
B.將桿N向右移一些,繩子拉力變大
C.繩的兩端高度差越小,繩子拉力越小
D.若換掛質量更大的衣服,則衣服架懸掛點右移
【解題過程】第一步,此題以懸掛點受力分析如圖2.3.2所示:
圖2.3.2
圖2.3.3
圖2.3.4
當d或者l發生變化時,如圖2.3.4所示,也可以直觀地看出力的大小和方向變化情況。故選AB。
【方法要點】這一種方法筆者稱之為恒等腰三角形,它的適用條件也非常明顯,需要有一個恒成立的等腰三角形。
【例4】如圖2.4.1所示,小方塊代表一些相同質量的鉤碼,圖中O為輕繩之間連接的結點,裝置處于靜止狀態,現將圖中的B滑輪稍稍上移一些,則關于θ角的變化說法正確的是
( )
圖2.4.1
A.θ角增大 B.θ角不變
C.θ角減小 D.θ角不確定
【解題過程】第一步,受力分析并平移力的矢量三角形如圖2.4.2所示。會發現這里三個力的大小不變,相當于在三角形中三條邊長不變,根據“SSS”定理,三角形全等,所以力的方向也不會發生變化。故選B。
圖2.4.2
【方法闡述】這一種方法筆者稱之為全等三角形,受力特點比較簡單,所受均為大小不變的力,我們也可以提取出幾個關鍵詞—“恒,恒,恒”。
( )
圖2.5.1
A.MN上的張力逐漸增大
B.MN上的張力先增大后減小
C.OM上的張力逐漸增大
D.OM上的張力先增大后減小
【解題過程】第一步,分析初狀態和末狀態的受力,分別如圖2.5.2和圖2.5.3所示,觀察到末狀態受三個力,依據末狀態畫矢量三角形。這里發現不能通過之前的任何方法去處理,但是根據題目,發現矢量三角形中的恒力G對應的角度是恒定不變的,這讓我們想到幾何當中一條不變的弦對應著一個不變的圓周角,引出力的矢量三角形的外接圓。
圖2.5.2
圖2.5.3
圖2.5.4
第二步,以末狀態的力的矢量三角形做外接圓,根據題意,OM繩是從初狀態逆時針轉動到末狀態,很明顯這個過程中OM繩的力先變大后變小,MN繩的力始終增大。故選AD。
【方法要點】這一種方法筆者稱之為圓內接三角形,受力特點也是比較明顯的,受到一個恒力,以及這個恒力所對的角度是不變的,我們也可以提取關鍵詞—“恒力對恒角”。
此文只是對動態平衡問題的一些基本情況進行梳理,其進一步遷移,嵌套的其他更深刻情景也是值得關注的,比如2018年4月浙江選考物理的第13題。關于動態平衡問題的進一步遷移,這里暫不做深入討論。