歷年物理競賽中常見的物體平衡分析_第1頁
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-.z.物體平衡可以分兩大類即:1、共點(diǎn)力作用下物體的平衡,2固定轉(zhuǎn)動軸物體的平衡,結(jié)合歷年競賽情況,我認(rèn)為可分成五個(gè)考點(diǎn),這里簡單給同學(xué)們總結(jié)分析。一、共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件幾個(gè)力如果都作用在物體的同一點(diǎn),或者它們的作用線相交于同一點(diǎn),這幾個(gè)力叫作共點(diǎn)力。當(dāng)物體可視為質(zhì)點(diǎn)時(shí),作用在其上的力都可視為共點(diǎn)力。當(dāng)物體不能視為質(zhì)點(diǎn)時(shí),作用于其上的力是否可視為共點(diǎn)力要看具體情況而定。物體的平衡包括靜平衡與動平衡,具體是指物體處于靜止、勻速直線運(yùn)動和勻速轉(zhuǎn)動這三種平衡狀態(tài)。共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件是;物體所受到的力的合力為零。如果在三個(gè)或三個(gè)以上的共點(diǎn)力作用下物體處于平衡,用力的圖示表示,則這些力必組成首尾相接的閉合力矢三角形或多邊形;力系中的任一個(gè)力必與其余所有力的合力平衡;如果物體只在兩個(gè)力作用下平衡,則此二力必大小相等、方向相反、且在同一條直線上,我們常稱為一對平衡力;如果物體在三個(gè)力作用下平衡,則此三力一定共點(diǎn)、一定在同一個(gè)平面內(nèi),如圖1所示,且滿足下式〔拉密定理〕:二、推論物體在n(n≥3)個(gè)外力作用下處于平衡狀態(tài),假設(shè)其中有n-1個(gè)力為共點(diǎn)力,即它們的作用線交于O點(diǎn),則最后一個(gè)外力的作用線也必過O點(diǎn),整個(gè)外力組必為共點(diǎn)力。這是因?yàn)閚-1個(gè)外力構(gòu)成的力組為共點(diǎn)〔O點(diǎn)〕力,這n-1個(gè)的合力必過O點(diǎn),最后一個(gè)外力與這n-1個(gè)外力的合力平衡,其作用線必過O點(diǎn)。特例,物體在作用線共面的三個(gè)非平行力作用下處于平衡狀態(tài)時(shí),這三個(gè)力的作用線必相交于一點(diǎn)且一定共面。三、有固定轉(zhuǎn)動軸物體的平衡有固定轉(zhuǎn)軸的物體,假設(shè)處于平衡狀態(tài),作用于物體上各力的力矩的代數(shù)和為零。由空間一般力系的平衡方程,去掉由力系的幾何性質(zhì)能自動滿足的平衡方程,容易導(dǎo)出各種特殊力系的獨(dú)立平衡方程。平面匯交力系與平面平行力系的獨(dú)立方程均為二個(gè),空間匯交力系和空間平行力系的獨(dú)立平衡方程均為三個(gè)。一、重心物體的重心即重力的作用點(diǎn)。在重力加速度為常矢量的區(qū)域,物體的重心是惟一的〔我們討論的都是這種情形〕,重心也就是物體各局部所受重力的合力的作用點(diǎn),由于重力與質(zhì)量成正比,重力合力的作用點(diǎn)即為質(zhì)心,即重心與質(zhì)心重合。這樣就得出了如下列圖的系統(tǒng)的重心坐標(biāo)。假設(shè)有多個(gè)物體組成的系統(tǒng),我們不難證明其重心位置為:一般來說,物體的質(zhì)心位置與重心位置重合,由上面公式很易得到質(zhì)心位置公式:如圖5,有5個(gè)外形完全一樣的均勻金屬棒首尾相接焊在一起,從左至右其密度分別為ρ、⒈1ρ、⒈2ρ、⒈3ρ、⒈4ρ,設(shè)每根棒長均為,求其質(zhì)心位置,假設(shè)為n段,密度仍如上遞增,質(zhì)心位置又在什么地方?解:設(shè)整個(gè)棒重心離最左端距離為*,則由求質(zhì)心公式有將坐標(biāo)原點(diǎn)移到第一段棒的重心上,則上式化為:二、物體平衡的種類物體的平衡分為三類:1.穩(wěn)定平衡:處于平衡狀態(tài)的物體,當(dāng)受到外界的擾動而偏離平衡位置時(shí),如果外力或外力矩促使物體回到原平衡位置,這樣的平衡叫穩(wěn)定平衡,處于穩(wěn)定平衡的物體,偏離平衡位置時(shí),重心一般是升高的。2.不穩(wěn)定平衡:處于平衡狀態(tài)的物體,當(dāng)受到外界的擾動而偏離平衡位置時(shí),如果外力或外力矩促使物體偏離原來的平衡位置,這樣的平衡叫不穩(wěn)定平衡,處于不穩(wěn)定平衡的物體,偏離平衡位置時(shí),重心一般是降低的。3.隨遇平衡:處于平衡狀態(tài)的物體,當(dāng)受到外界擾動而偏離平衡位置時(shí),物體受到的合外力或合力矩沒有變化,這樣的平衡叫隨遇平衡,處于隨遇平衡的物體,偏離平衡位置后,重心高度不變。在平動方面,物體不同方面上可以處于不同的平衡狀態(tài),在轉(zhuǎn)動方面,對不同方向的轉(zhuǎn)軸可以處于不同的平衡狀態(tài)。例如,一個(gè)位于光滑水平面上的直管底部的質(zhì)點(diǎn),受到平行于管軸方向的擾動時(shí),處于隨遇平衡狀態(tài);受到與軸垂直方向的擾動時(shí),處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),一細(xì)棒,當(dāng)它直立于水平桌面時(shí),是不穩(wěn)定平衡,當(dāng)它平放在水平桌面時(shí),是隨遇平衡。三、穩(wěn)度物體穩(wěn)定的程度叫穩(wěn)度,一般說來,使一個(gè)物體的平衡遭到破壞所需的能量越多,這個(gè)平衡的穩(wěn)度就越高。穩(wěn)度與重心的高度及支面的大小有關(guān),重心越低,支面越大,穩(wěn)度越大。流體并沒有一定的開頭可以自由流動,但具有一定的密度,一般認(rèn)為理想流體具有不可壓縮的特征。一、靜止流體中的壓強(qiáng)1.靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點(diǎn)在靜止流體內(nèi)任何一點(diǎn)處都有壓強(qiáng),這一壓強(qiáng)與方向無關(guān)僅與該點(diǎn)的深度有關(guān);相連通的靜止流體內(nèi)部同一深度上各點(diǎn)的壓強(qiáng)相等。關(guān)于流體內(nèi)部的壓強(qiáng)與方向無關(guān),可以證明如下:由此液柱很小,則其重力將遠(yuǎn)小于它的一個(gè)側(cè)面所受到的壓力,故可忽略其重力的作用。則由此液柱的平衡條件知上述三力應(yīng)互相平衡,乃有:說明在流體內(nèi)部的同一點(diǎn)處向各個(gè)方向的壓強(qiáng)是相等的。2.靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小二、浮力與浮心浮力是物體在流體中所受壓力的合力。浸沒在靜止流體內(nèi)的物體受到的浮力等于它所排開流體的重量,浮力的方向豎直向上。

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