期中考试过后大家开始进入力学的学习,力的属性不难,重力、弹力、摩擦力初中都讲过,很快就能捡起来,而力的合成、力的分解、受力分析、共点力平衡让很多同学感到头疼,听讲能学会,做题错一堆,今天来聊聊如何学好共点力平衡。
力的分解合成是基础
我们的知识来源于实践,通过观察现象记住规律,要比通过列公式计算更加轻松有效。
初中我们讲力的合成时,两个力是在同一直线上,只有同向和反向两种情况,现在我们研究的是有夹角的两个力作用在同一物体上时,它们与它们合力之间的关系。
拿起身边的书包,两手握紧书包带把包提起来,让书包离地保持静止,这时两个书包带上的力就是分力,而书包重力就与合力大小相等、方向相反。改变两只手握书包带的位置,调整两个分力的大小和夹角,让书包在空中依然保持静止(位置也不变),我们就能感觉到,合力不变的情况下,两个分力夹角发生变化时,力的大小也会发生变化,而且这个规律很容易感受到,夹角越小越省力,夹角越大越费力。
而我们把这种变化规律用画图的方式表现出来,就会发现分力与合力之间有某种联系:就像是平行四边形中两边与对角线的关系,也像是三角形中两边与第三边的关系,这就是力的合成所遵循的平行四边形法则与三角形法则,也是我们最先学的,按力的作用效果来做分解合成。
有了图形,我们还可以使用之前学过的三角函数,借助角来表示边与边的长度关系。这里面我们用的最多的,就是构建直角三角形,也就是正交分解,把一个力分解到相互垂直的两个方向上。到这里大家基本上都没有问题,差别就在于熟练程度。
选择正交分解还是按效果分解?
这是我们遇到的第一个疑问,尤其是碰到绳结、活动杆、滑轮时最容易画错,这里我建议动手实验,重点记忆。
先从最简单的绳结开始,绳结分成活动的和固定的,但多数情况下看作是固定的,因为想要活动绳结,是需要滑轮的,可以放进滑轮的分类力。身边的固定绳结很多,书包带、鞋带、各种线材都是,随便拿个在手里玩一玩,就能发现固定绳结要按力的作用效果来分解,用正交分解反而更麻烦。如果有一个力与重力保持垂直,相当于送你了一个正交分解,另一个力继续正交分解即可。
然后是活动杆,多数是指能够在竖直面上下转动的那种,它的规律好记,我们可以借助一支笔来记。两根手指顶住笔的两端,假设左端是活动杆的活动轴,如果想让笔保持水平,你的右手就只能水平向左发力,一旦力有偏差,笔就会掉了。所以这种活动杆顶端的受力,必定是水平方向的支持力,且与重力垂直,和上面的情况相似,另一个力做正交分解即可。
最后一类是滑轮,包括活动绳结上带滑轮、定滑轮、支架顶端有定滑轮(也是固定杆的一种变形)三种主要变形。定滑轮我们初中学过,特点是改变力的方向但不改变力的大小,到了高中翻译过来就是,定滑轮两边绳子上的力大小相等,方向是沿着绳子的方向。这种情况下已经确定了两个力的大小和方向,那么就按力的作用效果来分解即可,不能正交分解。
总结来说,对力进行分解时有按效果分解和正交分解两种,优先按效果分解,尤其是固定绳结、固定杆、带滑轮的情况;正交分解其次,包括一个力水平的绳结、活动杆。(后面我们习题里正交分解考得多,但要先掌握按效果分解。)
力的动态平衡如何分类
不论是三力平衡、四力平衡、不在同一平面内多力平衡,还是整体法、隔离法、解析法,终究都处于静止或匀速直线状态,分解方式无外乎两种,力的大小是确定的。但到了力的动态平衡,一下难住了很多人,情况复杂不说,方法还特别多,让人不知所措。
我先说一下这里可用的几种方法:1、整体法隔离法轮流上;2、矢量三角形;3、相似三角形(包含了正弦定理法);4、动态圆;5、活绳结关联(包含滑轮,本质上还是用相似三角形)。这五种方法如果不熟悉的可以从《五三》、《高中必刷题》等练习册里找到,每种方法至少拿两道题练练,不然下面的话看了也没啥用。
掌握了这五种方法后,再说遇到什么题选什么方法:
1、两个物体直接接触、用弹簧相连、用硬杆相连、用不变形的细绳相连但绳子一直保持伸直状态,以及高二上学期的两个电荷之间的相互作用力,这些情况下两个物体可以看成一个,那就整体法和隔离法轮流上。
2、合力为定值(比如挂着个物体,物体重力保持不变),一个力的方向固定,但大小可变,另一个力大小方向都可变,这时用矢量三角形来求解,当两个分力互相垂直时一个力最小,不垂直时对应两组解。
接下来两个分力都能变:
3、合力为定值,另外两个力大小、方向都可变,尤其遇到圆形(包括半圆、1/4圆),使用相似三角形来求解,力之间的比值等于三角形边长的比值,同时可以用正弦定理。
4、合力为定值,两个力大小、方向都可变,但夹角不变,这时候画出图来就能发现,这与圆内弦所对的圆周角都相等规律一致,所以叫动态圆解法,三个力分别是圆内的三个弦,当弦过圆心时为最大值,等于圆的直径。
5、活绳结关联,合力仍为定值,另外两个力大小、方向都可变,重物可以在中间滑动,这时我们要延长一侧的绳子使之与另一侧绳子一样长,连同两个结点间距构建相似三角形,力之间的比值等于三角形边长的比值,来求力的变化。
学习建议
共点力平衡、受力分析是高中物理的重点和基础,跑不掉的,现在不学通,高三复习时更痛苦。这里我建议三点:
第一,一定要做习题,方法背不下来的,要记在眼睛里,记在手里。
第二,上面涉及的几种方法,对应习题都要练,尤其力的动态平衡,如果你看不懂我写的,说明你要做题去了。
第三,定期回顾,谁都会忘,尤其是往后学的内容更多,前面这些复杂题目的解法会生疏,最好每周翻开练习册这几页看一看,看看画过的图,回想一下每种方法适用的条件。
今天就说到这里,咱们下次再聊。
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