正确理解“二力平衡”
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二力平衡是力学中的重点内容之一,而二力平衡条件是分析、解决二力平衡问题的重要依据.同时,理解二力平衡条件这一知识点,对摩擦力、浮力等知识的深层次学习和理解影响较大.一对平衡力不是一对相互作用力,然而在学习中总有一部分同学把相互作用力当成是一对平衡力.下面就从几个方面帮同学们来正确理解“二力平衡”.
一、二力平衡的概念
物体在几个力的作用下处于静止或匀速直线运动状态,我们就说该物体处于平衡状态,使物体处于平衡状态的几个力称作平衡力.当物体在两个力的作用下处于平衡状态时,就称作二力平衡.物体在平衡力作用下处于平衡状态,物体处于平衡状态时受到的力一定是平衡力.
一本书放在水平桌面上处于静止状态时(如图1所示),书受到重力和桌面对书的支持力.而书在这两个力的作用下,保持了静止状态,所以,书受到的重力和桌面对书的支持力是一对平衡力.
例1如图2所示,是利用每秒闪光10次的照相装置拍摄到的四个物体运动的闪光照片(提示:图中的黑点表示物体运动轨迹),其中可能受到平衡力作用的物体是( ).
解析物体在平衡力作用下处于平衡状态,即物体保持静止状态或匀速直线运动状态.
物体处于平衡状态时可能不受力,也可能受力,但受到的力一定是平衡力.现在,四个物体都处于运动状态,由图可知,只有D图中的黑点距离是相等的且在一条直线上,说明物体做匀速直线运动.所以,D图中的物体可能受到平衡力的作用.故应选D.
二、探究二力平衡条件
在“探究二力平衡条件”的活动中,主要是通过探究力对物体的作用效果来实现探究目的的.如图3所示,将系于小卡片两对角的细线分别绕过左右支架上的滑轮.
1.在线端挂上钩码,使作用在小卡片上的两个力方向相反,且在一条直线上.(注:由于小卡片的重力远小于钩码对小卡片的拉力,所以小卡片的重力可忽略不计.)
(1)当两边所挂钩码重不等时,发现小卡片不能保持平衡.
(2)当两边所挂钩码重相等时,发现小卡片能保持平衡.
由此,二力平衡的条件是:作用在物体上的两个力大小相等、方向相反.
2.当小卡片平衡时,把小卡片转过一个角度,使小卡片受到的两个拉力不在一条直线上,但大小相等、方向相反.松手后,发现小卡片不能保持平衡.
由此,二力平衡的条件是:作用在物体上的两个力要在同一条直线上.
3.当小卡片平衡时,用剪刀将小卡片从中间迅速一剪为二,发现两片小卡片都不能保持平衡.
由此,二力平衡的条件是:两个力要作用在同一个物体上.
综合起来,二力平衡的条件是:两个力作用在同一个物体上、大小相等、方向相反,且作用在同一条直线上.
二力平衡的条件可以简记为:同体、等值、反向、共线,四个条件缺一不可.
例2如图4所示的情景中,属于二力平衡的是( ).
解析根据二力平衡的条件“同体、等值、反向、共线”,可知A图中两个力不作用在同一个物体上;B图中两个力大小不等;D图中两个力方向不相反,且不作用在同一条直线上;只有C图中两个力四个条件均满足.故应选C.
三、一对平衡力与一对相互作用力的区别
同学们在学习中经常将平衡力与相互作用力混淆.现以一个具体的例子来说明:
如图5所示,一只足球静止在水平地面上,图中足球受到的重力G与地面对足球的支持力F是一对平衡力,而足球受到的支持力F与地面受到的压力F ′是一对相互作用力.下面将平衡力和相互作用力的相同点和不同点列表对照.
点评一对平衡力是作用在同一个物体上,一对相互作用力是作用在两个不同的物体上,这是区别一对平衡力与一对相互作用力的显著特征.
例3质量相等的甲、乙两同学站在滑板上,在旱冰场上相对而立,如果甲用60N的力推乙,如图6所示.以下分析正确的是 ( ).
A.同时,乙对甲的推力小于60N
B.甲静止不动,乙向后退
C.乙后退的过程中,始终受到60N推力的作用
D.乙由静止变为后退,说明力可以改变物体的运动状态
解析甲同学推乙同学的同时,由于力的作用是相互的,乙同学也推甲同学.所以甲同学推乙同学的力F和乙同学推甲同学的力F ′是一对相互作用力.而一对相互作用力是作用在两个不同的物体上,大小相等、方向相反、作用在同一条直线上,且两个作用力是同时存在,同时消失.故A选项是错误的,当甲用60N的力推乙时,乙也同时用60N的力推甲,所以甲的运动状态也发生改变.并且当甲和乙分离后甲不再对乙施加力的作用.故选项B与C均错误,正确答案应选D.
四、二力平衡条件的应用
1.根据二力平衡的概念判断二力是否平衡.
如当物体在液体中处于悬浮和漂浮时,其运动状态未变,它所受的浮力和重力就是一对平衡力;当物体在液体中上浮和下沉时,其运动状态改变,它所受到的浮力和重力就是一对非平衡力.
2.根据二力平衡的条件判断二力是否平衡,从而判断物体的运动状态是否改变.
3.利用二力平衡的条件,由已知一个力的大小和方向去求另一个力的大小和方向.
下面通过具体的实例来体验二力平衡条件的应用.
例4如图7所示,静止在水平路面上的小车,其支架的杆子上固定一铁球,关于杆子给铁球的力的方向,下列说法正确的是( ).
A.沿杆子
B.垂直于杆子
C.竖直向上
D.沿杆子与竖直方向之间的某一方向
解析该题初看起来无从下手,因为杆子给铁球的力的方向直接很难判断,但是只要认真用二力平衡的条件来分析,问题就迎刃而解.小球此时处于静止状态,小球受到的作用力只有重力和杆子对铁球的力,所以这两个力是一对平衡力,则杆子给铁球的力的方向与重力方向相反.正确答案应选C.
例5如图8所示,用F= 6N的水平向右的拉力匀速拉动物块A时,物块B静止不动,此时弹簧测力计的示数为4N,则物体B所受摩擦力的大小及方向为( ).
A.6N,向左B.4N,向右
C.6N,向右D.4N,向左
解析这是一道摩擦力与力的平衡知识相结合的综合应用题,物体B在水平方向上受到弹簧测力计的拉力和物块A对它的摩擦力的作用,由于物体B静止不动,这两个力是一对平衡力,其中弹簧测力计的拉力水平向左,根据二力平衡的条件,可知摩擦力的方向应水平向右,其大小应等于弹簧测力计的示数,为4N,故正确答案应选B.
要合理地运用二力平衡知识解决实际问题,一要分析物体是否处于平衡状态,再根据二力平衡条件来解决另一个力的大小、方向;二要根据二力平衡条件来判断二力是否平衡,再判断物体的运动状态是否改变,从而达到解决问题的目的.