探究二力平衡的条件

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  你看过“走钢丝”吗?如图1所示,杂技演员脚底下踩着的那根钢丝,只有晒衣服的绳子一般粗细,演员在这钢丝上,如履平地,自如地做着走、跳、跪、卧等动作,还能跳绳、翻跟斗、跳舞呢.灵活轻捷的表演惊险而又优美,不断赢得观众的阵阵掌声.
  像这样物体在几个力的作用下保持静止状态或匀速直线运动状态,我们就说该物体处于平衡状态.使物体处于平衡状态的几个力称为平衡力.当物体在两个力作用下处于平衡状态时,我们就说这两个力相互平衡,简称二力平衡.
  物体处于平衡状态,受到两个力的大小有何关系呢?与力的方向是否有关呢?与作用点有关吗?
  选极轻的小卡片(重力可忽略不计),系在两对角线的细线分别跨过左右支架上的滑轮,在线的两端挂上钩码,并通过调整钩码的数量来改变拉力的大小.此时,卡片只受到水平方向两个力的作用.
  (1)探究二力平衡与力的大小的关系.小卡片两端通过滑轮分别挂上一个、两个、三个钩码时,卡片依然处于静止状态.当两边所挂钩码不相等时,卡片失去平衡.由此可知二力平衡的条件之一是二力的大小相等.
  (2)探究二力平衡与力的方向的关系.小卡片两端挂上相同的钩码,方向相反时,卡片处于静止状态,方向相同时,卡片不能够保持静止状态.由此可知二力平衡的条件之二是二力的方向相反.
  (3)探究二力平衡与是否二力在同一条直线上的关系.当小卡片平衡时,小华将小卡片转过一个角度,小卡片两端的拉力就不在一条直线上,就会转过一个角度,不能平衡.由此可知二力平衡的条件之三是二力必须作用在同一直线上.
  (4)探究二力平衡与是否作用在同一物体上的关系.当卡片静止时,将小卡片剪成两半,使拉力作用在两个小卡片上,此时卡片失去平衡.由此可知二力平衡的条件之四是二力必须作用在同一物体上.
  总结上述实验,二力平衡的条件是:作用在同一物体上的两个力大小相等、方向相反,作用在同一条直线上,这两个力才能平衡.即同体、等值、反向、共线.
  活动2 探究二力平衡的应用
  做一做:
  在弹簧测力计下方挂100g钩码,让弹簧测力计按下列要求运动,观察弹簧测力计的示数.(1)在竖直方向保持静止;(2)在竖直方向匀速运动.
  我们会发现,这两种情况下,弹簧测力计的示数都等于钩码的重力大小.由此可见,物体受到平衡力作用时,能保持静止状态或匀速直线运动状态.
  想一想:
  (1)由物体的运动状态求力:若物体在两个力作用下处于静止或匀速直线运动状态,则二力为一对平衡力,知其中一个力,可求另一个力.
  只要物体做匀速直线运动,则物体受的即为平衡力,力的大小与物体运动的速度无关.如:同一个物体以10m/s的速度向上做匀速直线运动和以20m/s的速度向上做匀速直线运动,物体受的拉力都等于物体受的重力.
  例如,根据降落伞接近着地时是匀速直线下降的,由此可知空气对降落伞的阻力跟降落伞受到的重力是一对平衡力.
  (2)由物体受力情况确定运动状态:若知道物体受到的两个力或多个力为平衡力,则可判定物体或静止或做匀速直线运动.
  不管任何物体,要保持平衡,物体的重力作用线(通过重心的竖直线)必须通过支持面(物体与支持着它的物体的接触面).这样才能满足二力平衡的条件,二力才能在同一条直线上,物体才能保持平衡状态.如果物体重力作用线不通过支持面,这个物体就要倒下来.
  根据平衡的道理,走钢丝的杂技演员,始终要使自己身体的重力作用线通过支持面,这支持面就是钢丝.钢丝很细,给人的支持面极小,使身体重心恰巧落在钢丝绳上就很难,身体随时有倒下去的危险.生活的经验告诉我们,当身体摇晃要倒下时,人们往往摆动两臂,使身体重新站稳.两臂的摆动,是在调整重心作用线,使之通过支持面,以恢复平衡.体操运动员在平衡木上,也常常有这样的动作.杂技演员走钢丝,当然也必须伸开双臂左右摆动来调整重心,保持平衡.演员手中还常拿着长长的竹竿,或者花伞、彩扇等,这些物品起着“延长手臂”的作用,是演员帮助身体平衡的辅助工具.
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