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【解析】由于弹力的方向总是垂直于接触面,在A点,弹力F1应该垂直于球面,所以沿半径方向指向球心0;在B点弹力F2垂直于墙面,因此也沿半径指向球心0。
【点评】注意弹力必须指向球心,而不一定指向重心。又由于F1、F2、G为共点力,重力的作用线必须经过0点,因此P和0,必在同一竖直线上,P点可能在0的正上方(不稳定平衡),也可能在0的正下方(稳定平衡)。
【例2】如图所示,重力不可忽略的均匀杆被细绳拉住而静止,试画出杆所受的弹力。
【解析】A端所受绳的拉力F1沿绳收缩的方向,因此沿绳向斜上方;B端所受的弹力F2垂直于水平面竖直向上。
【点评】、由于此直杆的重力不可忽略,其两端受的力可能不沿杆的方向。杆受的水平方向合力应该为零。由于杆的重力G竖直向下,因此杆的下端一定还受到向右的摩擦力f作用。
【例3】图中AC为竖直墙面,AB为均匀横梁,其重为G,处于水平位置。BC为支持横梁的轻杆,A、B、C三处均用铰链连接。试画出横梁B端所受弹力的方向。
【解析】轻杆BC只有两端受力,所以B端所受压力沿杆向斜下方,其反作用力,轻杆对横梁的弹力F沿轻杆延长线方向斜向上方。
【例4】画出图中物体A所受的力(P为重心,接触面均光滑)。
【解析】判断弹力的有无,可以采用拆除法:“拆除”与研究对象(受力物体)相接触的物体(如题中的绳或接触面),如果研究对象的运动状态不发生改变,则不受弹力,否则将受到弹力的作用。各图受力如下图所示。
(三)弹力的大小
对有明显形变的弹簧,弹力的大小可以由胡克定律计算。对没有明显形变的物体,如桌面、绳子等物体,弹力大小由物体的受力情况和运动情况共同决定。
1.胡克定律可表示为(在弹性限度内):F=kχ,还可以表示成△F=△χ,即弹簧弹力的改变量和弹簧形变的改变量成正比。
2.“硬”弹簧,是指弹簧的k值较大。(同样的力F作用下形变量△χ较小)
3.几种典型物体模型的弹力特点如下表。
【例5】
如图所示,两物体重力分别为G1、G2,两弹簧劲度系数分别为k1、k2,弹簧两端与物体和地面相连。用竖直向上的力缓慢向上拉G2,最后平衡时拉力F=G1+2G2,求该过程系统重力势能的增量。
【解析】关键是搞清两个物体高度的增量△h1和△h2与初、末状态两根弹簧的形变量△χ1、△χ2、△χ3、△χ4间的关系。
无拉力F时,△χ1=(G1+G2)/k1,△χ2=G2/k2,(△χ1、△χ2为压缩量)
加拉力F时,△χ3=G2/k1,△χ4=(G1+G2)/k2,(△χ3、△χ4为伸长量)
而△h1=△χ1+△χ3,△h2=(△χ3+△χ4)+(△χ1+△χ2),
系统重力势能的增量△Ep=G1.△h1+G2.△h2,
整理后可得:△Ep=(G1+2G2){(G1+G2)/k1+G2/K2}。
四、摩擦力
(一)摩擦力产生的条件
摩擦力的产生条件为:两物体直接接触、相互挤压、接触面粗糙、有相对运动或相对运动的趋势。这四个条件缺一不可。
两物体间有弹力是这两物体间有摩擦力的必要条件(没有弹力不可能有摩擦力)。
(二)滑动摩擦力的大小
1.在接触力中,必须先分析弹力,再分析摩擦力。
2.只有滑动摩擦力才能用公式f=uFN,其中的FN表示正压力,不一定等于重力G。
【例6】如图所示,用跟水平方向成a角的推力F推重量为G的木块沿天花板向右运动,木块和天花板间的动摩擦因数为μ,求木块所受的摩擦力大小。
【解析】
由竖直方向合力为零可得,FN=Fsinα-G,因此f=μ(Fsinα-G)。
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