物理“平衡”概念的理解

黃峻嵩

(沈陽市120中1班，遼寧 沈陽 110000)

物理“平衡”概念的理解

黃峻嵩

(沈陽市120中1班，遼寧 沈陽 110000)

高中生在理解平衡這一概念時會出現(xiàn)不少的問題和疑惑，下面以靜止狀態(tài)的物體是不是都平衡為例談談物體的平衡狀態(tài).

平衡；靜止；摩擦力；狀態(tài)

對于“平衡”這一物理學中的重要概念，在一般的教科書中均有明確的表述.例如，對于不會發(fā)生轉動的物體的平衡狀態(tài)，新編高中教材中是這樣定義的：“物體處于靜止或做勻速直線運動的狀態(tài)叫做平衡狀態(tài)”(見高中物理…).然而，按照這個定義，高中生在理解平衡這一概念的時候，就會出現(xiàn)不少的問題和疑惑，因為與平衡狀態(tài)相聯(lián)系的物理概念特別多，譬如相對運動、瞬時運動和參照系的變換等等.下面僅以靜止狀態(tài)的物體是不是都平衡為例談談物體的平衡狀態(tài).

一、相對靜止的物體

圖1

一個物體如果靜止不動，按照物理教材的定義，我們一般認為該物體處于平衡狀態(tài).然而，實際分析顯示并不完全是這樣.例如，在水平路面上有一輛沿弧形軌道勻速率前進的火車(示意圖參見圖1)，在車廂內的小桌上有一靜止的木塊.對于坐在火車里的觀察者來說，木塊是靜止不動的，按照“平衡”定義，該木塊處于平衡狀態(tài).其實這種靜止只是相對于小桌跟觀察者來說的，實際上它和小桌一樣在做勻速圓周運動.這時木塊所受的合外力顯然不等于零，而是等于木塊的質量與向心加速度的乘積，即：

ΣFma(公式1)

很顯然，這個合外力就等于水平桌面給木塊的靜摩擦力f，受力分析如圖1.

圖2

與此類似，一個小球放置于加速上升的升降機中(見圖2)，對于升降機內的觀察者來說，小球靜止，似乎處于“平衡”狀態(tài).由受力分析可知，升降機的地板給小球向上的彈力N大于它本身所受的重力G，合外力不等于零.小球并不處于平衡狀態(tài).

二、相對地面靜止的物體

相對地面靜止的物體是不是就一定處于平衡狀態(tài)呢？也不全是.例如物體的豎直上拋運動.一個物體在做豎直上拋運動的過程中，速度值會越來越小，當上升到最高位置時，速度變?yōu)榱?這個速度是相對于地面的，也就是說，上拋物體升至最高點時，相對于地面是靜止的.然而，這時物體并沒有處于平衡狀態(tài).這時物體的速度雖然等于零，但重力加速度并不等于零，而是等于重力加速度g.根據物體的平衡條件可知，處于平衡狀態(tài)的物體所受合外力為零，加速度也必然等于零.但是，速度與加速度卻沒有什么必然的聯(lián)系，速度為零的物體加速度可不一定等于零.所以，對地面靜止的物體完全可能有加速度，也就是可以不平衡.

三、一段時間內相對地面均靜止的物體

瞬時速度為零的物體可能仍有加速度，也就是可能不平衡，那么在一段時間內相對于地面均靜止的物體是不是就一定平衡呢？這要看對地面的運動情況是怎么認識的.

例如，同步人造地球衛(wèi)星相對于地面來說是靜止不動的，而且這種靜止可以相當長的時間.但是因為這時我們認為地球在自轉，所以相對于地球靜止的衛(wèi)星必然在做圓周運動(見圖3).這樣，人造衛(wèi)星所受的合外力不能等于零，也就是不是處于平衡狀態(tài).

圖3

一般情況下，我們在研究地面上的物體運動的時候，地球的自轉運動是忽略不計的，這樣在一段時間內相對于地面均靜止的物體，才可以說是處于平衡狀態(tài)的.而在研究衛(wèi)星等天體運動的時候，地球的自轉運動就不能忽略了.

四、處于平衡位置的物體

圖4

做振動的物體都有一個所謂的平衡位置.顧名思義，物體在振動到這一位置的時候處于平衡狀態(tài)，但是實際情況也不全是這樣的.例如，一個單擺的擺球在擺到平衡位置的時候，雖然擺球在水平方向上的加速度等于零，但是它卻有一個豎直方向的向心加速度.所以這時單擺給它的拉力T大于它受到的重力G，合力不等于零，擺球并沒有處于平衡狀態(tài)(圖4).這時說擺球處于平衡位置是不恰當的.

對于理想的彈簧振子來說，如果振子所受的阻力為零.做簡諧振動(見圖5)，那么在平衡位置處的振子所受的合外力等于零，加速度等于零，振子是處于平衡狀態(tài)的.但是，對于必須考慮地面摩擦的彈簧振子來說(如圖6)，在豎直方向上振子處于平衡狀態(tài)，合力為零.而在水平方向上，振子受到一個恒定的摩擦力作用(忽略空氣阻力)，摩擦力的方向跟物體運動的方向恰好相反，因此我們說，在平衡位置處的振子同樣也不是處于平衡狀態(tài)的.

圖5

圖6

綜上所述，當物體處于靜止或者相對靜止時，要確定其是否處于平衡狀態(tài)，要做具體的受力分析.如果物理的合力不為零，物體并不處于平衡狀態(tài).只有當物體的合力為零時，我們才可以說物體處于平衡狀態(tài).

[1]冷建軍. 兩個物體受力分析[J]. 數理化學習. 2011(09).

[2]靳大鵬. 求解共點力平衡問題幾種主要方法[J]. 中學生數理化：高考版. 2012(07).

G632

A

1008-0333(2017)22-0062-02

2017-06-01

黃峻嵩(2000-9-26)，男，漢族，遼寧省本溪市人，在校學生.

責任編輯：閆久毅]