物理“平衡”概念的理解

2017-10-20黄峻嵩

数理化解题研究 2017年22期

关键词：平衡位置平衡外力

黄峻嵩

(沈阳市120中1班，辽宁沈阳 110000)

物理“平衡”概念的理解

黄峻嵩

(沈阳市120中1班，辽宁沈阳 110000)

高中生在理解平衡这一概念时会出现不少的问题和疑惑，下面以静止状态的物体是不是都平衡为例谈谈物体的平衡状态.

平衡；静止；摩擦力；状态

对于“平衡”这一物理学中的重要概念，在一般的教科书中均有明确的表述.例如，对于不会发生转动的物体的平衡状态，新编高中教材中是这样定义的：“物体处于静止或做匀速直线运动的状态叫做平衡状态”(见高中物理…).然而，按照这个定义，高中生在理解平衡这一概念的时候，就会出现不少的问题和疑惑，因为与平衡状态相联系的物理概念特别多，譬如相对运动、瞬时运动和参照系的变换等等.下面仅以静止状态的物体是不是都平衡为例谈谈物体的平衡状态.

一、相对静止的物体

图1

一个物体如果静止不动，按照物理教材的定义，我们一般认为该物体处于平衡状态.然而，实际分析显示并不完全是这样.例如，在水平路面上有一辆沿弧形轨道匀速率前进的火车(示意图参见图1)，在车厢内的小桌上有一静止的木块.对于坐在火车里的观察者来说，木块是静止不动的，按照“平衡”定义，该木块处于平衡状态.其实这种静止只是相对于小桌跟观察者来说的，实际上它和小桌一样在做匀速圆周运动.这时木块所受的合外力显然不等于零，而是等于木块的质量与向心加速度的乘积，即：

ΣFma(公式1)

很显然，这个合外力就等于水平桌面给木块的静摩擦力f，受力分析如图1.

图2

与此类似，一个小球放置于加速上升的升降机中(见图2)，对于升降机内的观察者来说，小球静止，似乎处于“平衡”状态.由受力分析可知，升降机的地板给小球向上的弹力N大于它本身所受的重力G，合外力不等于零.小球并不处于平衡状态.

二、相对地面静止的物体

相对地面静止的物体是不是就一定处于平衡状态呢？也不全是.例如物体的竖直上抛运动.一个物体在做竖直上抛运动的过程中，速度值会越来越小，当上升到最高位置时，速度变为零.这个速度是相对于地面的，也就是说，上抛物体升至最高点时，相对于地面是静止的.然而，这时物体并没有处于平衡状态.这时物体的速度虽然等于零，但重力加速度并不等于零，而是等于重力加速度g.根据物体的平衡条件可知，处于平衡状态的物体所受合外力为零，加速度也必然等于零.但是，速度与加速度却没有什么必然的联系，速度为零的物体加速度可不一定等于零.所以，对地面静止的物体完全可能有加速度，也就是可以不平衡.

三、一段时间内相对地面均静止的物体

瞬时速度为零的物体可能仍有加速度，也就是可能不平衡，那么在一段时间内相对于地面均静止的物体是不是就一定平衡呢？这要看对地面的运动情况是怎么认识的.

例如，同步人造地球卫星相对于地面来说是静止不动的，而且这种静止可以相当长的时间.但是因为这时我们认为地球在自转，所以相对于地球静止的卫星必然在做圆周运动(见图3).这样，人造卫星所受的合外力不能等于零，也就是不是处于平衡状态.

图3

一般情况下，我们在研究地面上的物体运动的时候，地球的自转运动是忽略不计的，这样在一段时间内相对于地面均静止的物体，才可以说是处于平衡状态的.而在研究卫星等天体运动的时候，地球的自转运动就不能忽略了.

四、处于平衡位置的物体

图4

做振动的物体都有一个所谓的平衡位置.顾名思义，物体在振动到这一位置的时候处于平衡状态，但是实际情况也不全是这样的.例如，一个单摆的摆球在摆到平衡位置的时候，虽然摆球在水平方向上的加速度等于零，但是它却有一个竖直方向的向心加速度.所以这时单摆给它的拉力T大于它受到的重力G，合力不等于零，摆球并没有处于平衡状态(图4).这时说摆球处于平衡位置是不恰当的.

对于理想的弹簧振子来说，如果振子所受的阻力为零.做简谐振动(见图5)，那么在平衡位置处的振子所受的合外力等于零，加速度等于零，振子是处于平衡状态的.但是，对于必须考虑地面摩擦的弹簧振子来说(如图6)，在竖直方向上振子处于平衡状态，合力为零.而在水平方向上，振子受到一个恒定的摩擦力作用(忽略空气阻力)，摩擦力的方向跟物体运动的方向恰好相反，因此我们说，在平衡位置处的振子同样也不是处于平衡状态的.