等效力法,就是通過力的合成或者力的分解,用假設(shè)的合力或者分力,甚至矢量和為零的合力,即平衡力系,來(lái)代替和變換物體實(shí)際受到的力。
例1、如圖所示,有20牛頓?、30牛頓和40牛頓三個(gè)力作用在物體的同一點(diǎn),且彼此夾角均為120°。?求合力的大小和方向。
解析:根據(jù)三個(gè)大小相等的共點(diǎn)力彼此互成?120°時(shí),其合力為零,從而可以通過增減一個(gè)合力為零的力系,對(duì)物體的受力進(jìn)行等效變換。
方法一:如圖所示,從原力系中減去一個(gè)由三個(gè)其點(diǎn)力組成的平衡力系----每個(gè)力大小為20牛頓,而互成120°。這樣,不僅將三個(gè)力的合成問題變成兩個(gè)力的合成題:一個(gè)10牛頓,一個(gè)20牛頓,夾角為120°,而且還可以明顯看出:由于F1:F2=2:1,且平行四邊形中的稅角為60°,故合力F與F2的夾角為90°或者與F1的夾角為30°、大小F=F1sin60°=。
方法二:?如圖所示,在原力系中加上一個(gè)由三個(gè)共點(diǎn)力組成的平衡力系----每個(gè)力大小為20牛頓,互成120°,且各力正好與原來(lái)的三個(gè)力反向。這樣,同樣可以將三個(gè)力的合成問題變成兩個(gè)力的合成問題,結(jié)果與方法一完全相同。
例2、小車重力為G ,在卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引下沿水平面運(yùn)動(dòng),且與地面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ。求最佳牽引角和最小牽引力。
解析:小車受到四個(gè)力的作用。設(shè)支持力N與摩擦力的合力為R.且與堅(jiān)直方向的夾角為φ ,則將力系簡(jiǎn)化為三個(gè)共點(diǎn)力的問題(如圖所示)。
當(dāng)勻速拉動(dòng)小車時(shí),三個(gè)共點(diǎn)力平平衡。根據(jù)拉密定理---當(dāng)三個(gè)共點(diǎn)力?平衡時(shí),各力與其所對(duì)角的正弦成正比(讀者可根據(jù)三力構(gòu)成的實(shí)量三角形,利用正弦定理很容易證明),有:
所以,拉力F為??? ?(1)
根據(jù)摩擦力f=μN(yùn),則摩擦角φ:
tanφ = f / N = μ?(2)
(1)式表明:當(dāng)cos(φ-θ) =1最大,即φ –?θ = 0時(shí),牽引力最小。所以,最佳牽引角為θ = φ =arctan μ最小牽引力為
例3、如圖所示,三個(gè)同樣的帶電單擺a、b和c,分別置于重力場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)和點(diǎn)電荷電場(chǎng)中,則其簡(jiǎn)諧振動(dòng)周期(T)的關(guān)系為(???? )
A.?Ta =Tb =Tc?
B.?Ta > Tb > Tc
C.?Ta < Tb < Tc
D.不能判定
解析:三個(gè)單擺在振動(dòng)中受到的力均不相同:處于重力場(chǎng)中的擺球,受到繩的拉力與重力作用;處于磁場(chǎng)中的擺球,還要受到洛倫茲力的作用;而處于電場(chǎng)中的擺球,則還要受到庫(kù)侖力的作用。但是,由于洛倫茲力和庫(kù)倉(cāng)力始終沿?cái)[線方向,即法線方向,在切線方向的分量為零,即不會(huì)影響產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)的回復(fù)力,因?yàn)槿N情況下回復(fù)力具有等效性,就不改變單擺的振動(dòng)周期。所以,應(yīng)選答案A.?
例4、如圖所示,物塊在力F作用下向右沿水平方向勻速運(yùn)動(dòng),則物塊受到的摩擦力Ff與拉力F的合力方向應(yīng)該是(?????? )??
A.水平向右
B.豎直向上??
C.向左偏上
D.向右偏上
解析:物體受四個(gè)力平衡,重力和支持力的合力(等效成一個(gè)力G’)豎直向下,所以物塊可著作受三力平衡,在共點(diǎn)的三力平衡中,其中F與Ff的合力必與G’ 等大反向(豎直向上),因此B正確。