探究二力平衡的條件

劉珍珍 華慶富

二力平衡是力與運動關(guān)系知識板塊的重要組成部分，探究二力平衡的條件實驗，涉及器材的選擇及原因、實驗操作中細(xì)節(jié)處理，以及實驗結(jié)論的分析與歸納，對于科學(xué)探究這一物理核心素養(yǎng)的要求比較高。

[實驗要點]

探究二力平衡的條件實驗需要注意以下幾點。（1）實驗中桌面的摩擦、滑輪與細(xì)繩的摩擦無法忽略，因此可以選取較光滑的接觸面和質(zhì)量輕一些的小車。

（2）實驗中應(yīng)選取質(zhì)量較大的砝碼，使兩個拉力盡量大些，以削弱摩擦力的影響。

（3）二力平衡的條件分別為：二力大小相等、方向相反、作用在同一個物體上、作用在同一條直線上，即“等值、反向、同體、共線”。因為四個因素影響著一個結(jié)果，所以在探究二力平衡的條件時，要采用控制變量法：即探究某一個條件時，改變這個條件，控制其他三個條件不變。

（4）驗證互相平衡的兩個力需要作用在同一條直線上時，可以把小車扭轉(zhuǎn)一個角度后松手，觀察小車是否能夠處于平衡狀態(tài)。

（5）驗證二力平衡的兩個力需要作用在同一物體上時，可以把小車某一邊掛著重物的細(xì)線剪斷，觀察小車是否能夠處于平衡狀態(tài)（如果用懸空小卡片代替小車，則可以從中間剪斷小卡片）。

[實驗拓展]

（1）實驗中選擇小車而不是木塊，是為了利用變滑動為滾動進(jìn)一步減小桌面對小車的摩擦力。還可以用懸空小卡片代替小車，來更大程度地減小摩擦力的影響。

（2）如圖1所示的實驗中往往會出現(xiàn)這樣的問題：左右兩邊的拉力并不相等。比如開始時左、右盤中都沒有放砝碼，依靠兩個相同的托盤產(chǎn)生的相等拉力使得小車保持靜止。接著在左盤中加一個很小的物體，結(jié)果小車仍然保持靜止，于是有的同學(xué)就會認(rèn)為，互相平衡的兩個力不需要相等。造成這個錯誤結(jié)論的原因是什么呢？原來是隱藏的摩擦力在悄悄地干擾你，圖1中的小車在兩個相等的拉力作用下保持靜止?fàn)顟B(tài)，沒有運動趨勢，因此不受桌面的摩擦力，而圖2中的小車受到的水平向左的拉力大于水平向右的拉力，因此小車有水平向左運動的趨勢，此時桌面對小車產(chǎn)生了水平向右的摩擦力f，而這個摩擦力是看不到的。

[能力提升]

例1（2020·浙江·臺州）為研究作用在物體上的兩個力滿足什么條件時，才能使物體處于平衡狀態(tài)，進(jìn)行如下實驗。

（1）選用輕薄塑料片作為圖3實驗研究對象的原因是______________________。

（2）將圖3中靜止的研究對象轉(zhuǎn)到虛線位置，松手后發(fā)現(xiàn)研究對象發(fā)生轉(zhuǎn)動。據(jù)此可以得出結(jié)論：作用在物體上的兩個力需要滿足的條件是___________，物體才處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（3）如圖4，若啟動電動機(jī)繼續(xù)進(jìn)行研究：當(dāng)彈簧測力計示數(shù)與物體重力大小相等時，觀察物體的運動狀態(tài);當(dāng)彈簧測力計示數(shù)與物體重力大小不相等時，再觀察物體的運動狀態(tài)。繼續(xù)這項研究的目的是______________________。

答案：（1）減小研究對象的自重對實驗的影響? ?（2）在同一直線上? ?（3）探究作用在物體上的兩個力滿足什么條件，物體才能保持勻速直線運動狀態(tài)

例2（2020·湖南·常德）在探究“二力平衡條件”的實驗中，實驗裝置如圖5所示。

（1）實驗時，向左盤和右盤同時放入等重的砝碼，這時木塊保持靜止，說明一對平衡力的______________________。但小明在實驗時發(fā)現(xiàn)，若向左盤和右盤同時放入不等重的砝碼時木塊仍然保持靜止?fàn)顟B(tài)，則產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是______________________。

（2）現(xiàn)保持F1與F2相等，將木塊換成小車，然后扭轉(zhuǎn)一個角度，松手后，小車將______________________，設(shè)計這一步驟的目的是為了驗證相互平衡的兩個力一定______________________。

（3）如果將木塊換成彈簧測力計，左右兩盤各放入重5 N的砝碼，則彈簧測力計的示數(shù)為______________________。

A. 10 N? ? ? ? ? B. 5 N? ? ? ? ? C. 0 N

答案：（1）大小相等? ?木塊與桌面間存在摩擦力? ?（2）轉(zhuǎn)動回來 在同一直線上? ?（3）B