交汇原理巧解平衡问题

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  共点力作用下平衡条件的灵活运用,是体现考生能力的一个重要方面,备受命题专家青睐.若一个物体在三个力的共同作用下处于平衡,则这三个力必然交于一点(或延长交于一点),用此法判断方向不易确定的那个力,有利于在考场上快速决策,简便求解.
  【典例呈现】
  如图1所示,木板AB的重力不计,A端用铰链与墙壁连接,木板与墙壁间的夹角为30°,圆柱体重为G, D是AB的中点,若各触点的摩擦均不计,求木板A端所受的作用力?
  解析:如图2所示,先以圆柱体为研究对象,它在重力G、板的弹力N1和墙的弹力N2共同作用下处于平衡态,由 ,知N1= 2 G.
  
  再以板为对象,它受绳的拉力T、圆柱体的弹力和铰链的作用力F而平衡,则此必然交汇于一点,如图3中的点O,故
  ,代入
  N1==2G,得.
  【解法探究】
  物体在三个力的作用下平衡,在对物体进行受力分析后不易确定某个力(已知两个力的情况下画第三个力),或建立直角坐标系不好直接求解时常用三力交汇原理来处理较为简单,即三力作用下的平衡物其所受三力必交于一点.此类问题求解时一般是在对物体进行受力分析的基础上,沿各力的作用点画出其作用线,找出两个力的交点,再根据题意判断第三个力的作用点或力的作用线,最后依据交汇原理让第三个力必过前两个力的交点来判断,随后作出物体的受力示意图,再建立坐标系正交分解或用拉密原理进行求解.此法即可用于定性分析,也可用于定量计算,下面给出三个变式,引导大家掌握此类问题的求解思路.
  【变式拓展】
  变式1:定性分析力的作用点问题
  如图4所示,已知一根一端粗一端细的木棒其重心就在物体上,现用两根绳子拉着悬挂起来,试找出物体重心的位置?
  
  简析:由于木棒受重力和两根绳子的拉力而处于平衡态,则此三力必交于一点,因此延长T1和T2,过交点处作竖直向下的力,如图5所示,即为重力G,重力的作用线与木棒的交点即为物体重心的位置.
  
  点评:对于定性分析力的作用线问题,如盛饭的碗内斜放着一根筷子静止时重力的作用点就不好确定,用三力交汇原理就非常简捷.三力交汇平衡时,若确定了两个力,则第三个力也一定能确定.
  变式2:确定力的作用线问题
  如图6所示,重为G的均质杆一端放在粗糙的水平面上,另一端系在一条水平绳上,杆与水平面成角.已知水平绳的张力大小为T,求地面对杆下端的作用力.
  简析:设地面对杆的作用力为F,因杆在重力G、绳的张力T和F作用下平衡,此三力必交汇于一点,其受力图如图7所示.
  又地面对杆的作用力实际有两个效果,即地面有竖直向上的支持力N和水平向右的摩擦力f,平衡时有N = G和T = f成立,故,合力与水平方向的夹角满
  足,故.
  点评:交汇原理也适用于一些简单的定量计算,如地面上的电线杆打上斜拉线后达到平衡时,可先作出地面对杆的作用力的图示,然后即可直接从几何关系上看出力的作用线与某已知力的夹角.
  变式3:定量计算某个力
  图8左图中轻杆AB的一端插入竖直墙内,一根轻绳绕过摩擦不计的轻质滑轮后悬挂一个质量为m的重物而静止,右图中AB的一端固定在铰链上,轻绳悬挂相同的重物m而静止,静止时两杆都水平,BC绳与杆的夹角都为30°,则左图中杆对滑轮的作用力为 ,右图中杆对结点的作用为 .
  
  
  简析:不少同学认为两种情况作用力一样,因绳内的张力处处相同恒为物重mg,由两绳间夹角为120°,推知作用力都与水平面成30°斜向上,大小为mg.
  因杆的连接方式不同,所施作用力也不同.左图中插入杆可施任意方向的作用力,其结果就是上述解法,而右图中铰链杆只能施加水平向右的弹力,此时BC张力的一个分力与mg相平衡,另一个分力与杆的弹力相平衡,故杆的作用力为 mg.
  点评:本题是一道信息模型题,应从二者的细微差别上判断出是两个不同的模型,即杆的作用力的方向是不一样的,运用不同的规律进行求解.
  总之,对于平衡态下不易确定的那个力,运用交汇原理,可快速决策.备考时只要深刻领悟平衡条件的奥妙,平时多观察、勤练习,灵活运用交汇原理处理,就一定会熟能生巧,轻松应对高考.
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