力学习题中的“貌合神离”

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  一、死杆和活杆
  【例1】(1)如图1-1所示,质量为m的物体用细绳OC悬挂在支架上的O点,轻杆OB可绕B点转动,求细绳OA中张力T的大小和轻杆OB受力N的大小。
  (2)如图1-2所示,水平横梁一端A插在墙壁内,另一端装有小滑轮B,一轻绳一端C固定于墙壁上,另一端跨过滑轮后悬挂一质量为m=10 kg的重物,∠CBA=30°,求滑轮受到的绳子作用力。
  解析:对于(1),由于OB保持水平,则结点O对杆的压力必沿杆的方向,因此可将重力沿杆和OA方向分解。悬挂物体质量为m,绳OC拉力大小是mg,可求T=mg/sinθ;N=mgcotθ.
  对于(2),由于杆AB不可转动,是死杆,杆所受弹力的方向不沿杆AB方向。由于B点处是滑轮,滑轮两侧绳上拉力大小均是100 N,夹角为120°,故而滑轮受绳子作用力是其合力,大小为100 N。
  小结:绳的受力一定沿绳的方向,而杆的受力不一定沿杆的方向。
  二、死结和活结
  【例2】(1)如图2-1所示,OA、OB、OC三条轻绳共同连接于O点,A、B固定在天花板上,C端系一重物,绳的方向如图。OA、OB、OC这三条绳能够承受的最大拉力分别为150 N、100 N和200 N,为保证绳子都不断,OC绳所悬重物不得超过多重?
  (2)如图2-2所示,长为5 m的细绳的两端分别系于竖立在地面上相距为4 m的两杆的顶端A、B,绳上挂一个光滑的轻质挂钩,其下连着一个重为12 N的物体,平衡时,求绳中的张力T。
  解析:(1)结点O受三个力FAO、FBO、 FCO 而平衡,根据任两个力的合力与第三个力等大反向完成矢量图,如图2-3。
  (2)因为是在绳中挂一个光滑的轻质挂钩,所以整个绳子处处张力相同。而在(1)中,OA、OB、OC分别为三根不同的绳所以三根绳子的张力是不相同的。
  小结:挂一个光滑的轻质挂钩(挂一个光滑的轻质滑轮亦然)是“活结”,所以整个绳子处处张力相同。而“死结”时,绳子张力不一定相同。
  三、 弹簧和刚性绳
  【例3】如图3-1、3-2所示,图中细线均不可伸长,物体均处于平衡状态。如果突然把两水平细线剪断,求剪断瞬间小球A、B的加速度各是多少?(θ角已知)
  解析:水平细线剪断瞬间拉力突变为零,图3-1中OA绳拉力由T突变为T′,但是图3-2中OB弹簧要发生形变需要一定时间,弹力不能突变。
  小结: 轻绳的形变可瞬时产生或恢复,故绳的弹力可以瞬时突变;轻弹簧(或橡皮绳)在两端均联有物体时,形变恢复需较长时间,其弹力的大小与方向均不能突变。
  四、绳球和杆球
  【例4】一根细绳,长度为L,一端系一个质量为m的小球,在竖直平面内做圆周运动,求小球通过最高点时的速度至少是多少?若将绳换为一根匀质细杆,结果又如何?
  解析:绳是个柔软的物体,它只产生拉力,不能产生支持作用,小球在最高点时,弹力只可能向下,如图4-1所示。这种情况下有,
  即,否则不能通过最高点。
  细杆是坚硬的物体,它的弹力既可能向上又可能向下,速度大小v可以取任意值。如图4-2所示为其中一种情况。可以进一步讨论:①当杆对小球的作用力为向下的拉力时:, 所以 v >。②当杆对小球的作用力为向上的支持力时:,所以 v <。当N=mg时,v
  可以等于零。③当弹力恰好为零时:,所
  小结:绳只产生拉力,不能产生支持作用,小球在最高点时,弹力只可能向下,临界速度v=;小球在最高点时,细杆的弹力既可能向上又可能向下,临界速度可以等于零。
  五、恒力和变力
  【例5】如图5所示,质量为m的小球用长L的细线悬挂而静止在竖直位置。在下列三种情况下,分别用水平拉力F将小球拉到细线与竖直方向成θ角的位置。在此过程中,拉力F做的功各是多少?
  (1)用F缓慢地拉;(2)F为恒力;(3)F为恒力,而且拉到该位置时小球的速度刚好为零。可供选择的答案有( )
  解析:(1)若用F缓慢地拉,则显然F为变力,只能用动能定理求解。F做的功等于该过程克服重力做的功。选D。(2)若F为恒力,则可以直接按定义求功。选B。(3)若F为恒力,而且拉到该位置时小球的速度刚好为零,那么按定义直接求功和按动能定理求功都是正确的。选B、D。在第三种情况下,由FLsinθ=mgL(1-cosθ),可以得到,可见在摆角为
  时小球的速度最大。也可以按等效法,其效果相当
  于一个摆,这样的装置叫做“歪摆”。
  小结:若用F缓慢地拉,则显然F为变力,不能直接按定义求功,只能用动能定理求解。而F为恒力时,则可以直接按定义求功。
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