一道平衡問題的多角度分析

謝汝成

(吉林省遼源市第五中學(xué) 136200)

題目如圖1所示，一個半球形的碗放在桌面上，碗口水平，O是球心，碗的內(nèi)表面光滑．一根輕質(zhì)桿的兩端固定有兩個小球，質(zhì)量分別是m1、m2.當(dāng)它們靜止時，m1、m2與球心的連線跟水平面分別成60°、30°角，則兩小球質(zhì)量m1與m2的比值是( ).

圖1 圖2

解法一：正弦定理解法

當(dāng)物體受到三個共點(diǎn)力平衡時，三個力可成一個閉合三角形，通過題干所給條件去尋找到各力夾角之間的關(guān)系，最后利用正弦定理列出各個力大小關(guān)系方程求解.

注：該方法作為處理平衡問題的基本辦法之一，思維方法學(xué)生易于理解，計(jì)算相對簡單，是解決三力平衡問題的常用解法.

解法二：相似三角形解法

相似三角形解法就是構(gòu)建一個物體受力閉合三角形和另外一個相似的幾何三角形，在兩個三角形對應(yīng)邊比例一定的情況下，通過分析幾何三角形的邊長即可求解或判斷出對應(yīng)力的大小和大小的變化.

解析對物體受力分析，并分別做出兩物體受力平衡三角形，如圖3所示，取兩小球所在位置為A點(diǎn)和B點(diǎn)，過圓心O向AB做豎直線，交AB于C點(diǎn).此時不難發(fā)現(xiàn)：

圖3 圖4

為計(jì)算兩端線段長度的比例關(guān)系，如圖4所示，過B點(diǎn)向OC做垂線并交于D點(diǎn)，過A點(diǎn)向OC做垂線并交于OC延長線上的E點(diǎn)

在△OBD中BD=Rsin60°

以上各式聯(lián)立可得

注：大部分學(xué)生對相似三角形解法的認(rèn)識通常停留在分析動態(tài)平衡問題中各力大小變化情況階段，教師可以通過此題向?qū)W生強(qiáng)調(diào)相似三角形解法的更深入的應(yīng)用，在某些復(fù)雜的力學(xué)平衡問題中可以將復(fù)雜的物理情景轉(zhuǎn)化為一般數(shù)學(xué)運(yùn)算，降低思維難度.

解法三：轉(zhuǎn)動平衡解法

當(dāng)物體在非共點(diǎn)力作用下保持靜止或繞軸勻速轉(zhuǎn)動狀時，物體處于轉(zhuǎn)動平衡狀態(tài)，即力矩平衡.一般規(guī)定逆時針力矩為正力矩，順時針力矩為負(fù)力矩.當(dāng)物體處于轉(zhuǎn)動平衡時各力矩的代數(shù)和為零，即M1+M2+M3+…+Mn=0

圖5

解析由m1與m2兩小球組成的系統(tǒng)在非共點(diǎn)力作用下靜止，處于轉(zhuǎn)動平衡.如圖5所示，以O(shè)點(diǎn)為轉(zhuǎn)動中心,過O點(diǎn)做AB的垂線OF,OF即是力F到轉(zhuǎn)動中心O的距離,分別過AB兩點(diǎn)做水平直徑的垂線AG和BH,OG和OH分別是m1g和m2g到轉(zhuǎn)動中心O的距離.

列轉(zhuǎn)動平衡方程

F·OF+m1gOG-F·OF-m2gOH=0

其中OG=Rcos60°,OH=Rcos30°

注：轉(zhuǎn)動平衡雖然在高考中不做考察，但學(xué)生在初中階段已經(jīng)經(jīng)歷了較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對此類知識較為熟悉.可以利用此種解法向?qū)W生展示初高中物理知識的銜接，同時作為拓展知識能使學(xué)生加深對共點(diǎn)力平衡問題的理解.

解法四：勢能函數(shù)解法

對于保守力學(xué)系統(tǒng)，如果處于平衡狀態(tài)，則系統(tǒng)總勢能處于極值狀態(tài)(穩(wěn)定平衡時系統(tǒng)勢能為極小值，似穩(wěn)平衡時系統(tǒng)勢能為極大值)，即系統(tǒng)勢能的一階導(dǎo)數(shù)等于零.

解析選經(jīng)過O點(diǎn)的水平直徑為重力勢能零點(diǎn)，如圖6所示.

Ep=-m1gy1-m2gy2

y1=Rsinθ，y2=Rcosθ

對Ep關(guān)于θ求導(dǎo)

圖6

二是正確的寫出系統(tǒng)的勢能函數(shù)以及計(jì)算出勢函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù).

解法五：元功法

對于一個處于靜態(tài)平衡狀態(tài)的系統(tǒng)，可使它發(fā)生一段微小位移(元位移)，則系統(tǒng)所受的所有力在這個位移上所做微小總功(元功)之和零.

圖7 圖8

再過B′和B做水平和豎直線，交于B″點(diǎn).在直角△BB′B″中,∠B′BB″=∠AOC=30°,BB″=BB′cos30°.

根據(jù)功能關(guān)系有：

m2gBB″-m1gA′A″=0,

注：元功法是以功能原理為依據(jù)的一類解決物理問題的方法，該種解法關(guān)鍵在于元位移的表達(dá)，是分析力學(xué)中的“虛功原理”的簡單應(yīng)用.用元功法在處理某些平衡問題時頗為簡單．在使用元功法時，一般遵循一下四個步驟：

1.元過程的選取：取一與原平衡狀態(tài)接近的另一狀態(tài)，構(gòu)造一個元過程

2.元位移的計(jì)算：利用微元法或極限法計(jì)算出系統(tǒng)內(nèi)各物體的元位移

3.列方程：該元過程中所有力的元功之和為零

4.代入數(shù)據(jù)求解

該解法在計(jì)算元位移時也可以采用微分的方式

兩小球到圓心的豎直距離分別為y1和y2(如圖9所示)，假設(shè)OA向上轉(zhuǎn)動一小角度θ，在θ→0的條件小球的豎直位移等于豎直坐標(biāo)的微分.

圖9

y1=Rsin60°，δy1=Rcos60°dθ

y2=-Rcos30°，δy2=Rcos30°dθ，再利用W=m2gδy1+m2gδy2=0即可求解

綜上所述，在實(shí)際的教學(xué)過程中，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生從更高的維度上多角度的分析問題，使不同能力的學(xué)生都能在一道題的講解過程中提升自身的分析和解決問題的能力，這樣才能幫助學(xué)生在有限的時間內(nèi)更快更好的建立起物理學(xué)的知識體系，從容的面對各種各樣的物理問題.