平衡思想在物理中利用

朱增輝 丁三紅 張光紅

平衡思想是解決物理問題的基本科學(xué)思想。本文將從二力平衡、共點(diǎn)力平衡、靜電平衡和熱力學(xué)平衡四個(gè)方面來研究平衡思想的內(nèi)容，通過對(duì)平衡的研究能夠讓更多人知道平衡思想的重要性，生活中也離不開這一思想。

地球上的所有物體都會(huì)受到力的作用，不受力的物體是不存在的。在物理學(xué)中我們把物體受到幾個(gè)力的作用，還能保持靜止?fàn)顟B(tài)或者是勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫做平衡。物體在平衡狀態(tài)下受到的力叫做平衡力，這就是我們認(rèn)識(shí)平衡的最初思想。平衡思想的分析我主要從力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)三個(gè)方面來著手。在力學(xué)部分，我將從二力平衡和共點(diǎn)力平衡兩方面來分析平衡思想。

1 二力平衡

1.1二力平衡的條件：作用在同一物體上的兩個(gè)力，如果這兩個(gè)力大小相等、方向相反，并且在一條直線上，這兩個(gè)力就彼此平衡。

那么，要判斷這兩個(gè)力是不是平衡力就看是否具備這些條件。

1.2 例題分析

例題： 如圖所示，一物塊在斜面上，此時(shí)物塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，下列關(guān)于平衡力的說法正確的是（?? ）

A.物塊受到的一個(gè)分重力G1與摩擦力f是一對(duì)平衡力;

B .物塊對(duì)斜面的壓力N2與斜面對(duì)物塊的支持力N1是一對(duì)平衡力;

C.物塊受到的重力G與物塊對(duì)斜面的壓力N2是一對(duì)平衡力;

解析：B選項(xiàng)中物塊對(duì)斜面的壓力是作用在斜面上，而斜面對(duì)物塊的支持力是作用在物塊上，兩個(gè)力不滿足作用在同一物體上，所以這兩個(gè)力不是一對(duì)平衡力，因此B選項(xiàng)錯(cuò)誤;C 選項(xiàng)中G 的方向是豎直向下，而壓力N2的方向是垂直于斜面向下，G跟N1大小不相等、方向相同且不在同一直線上，所以這兩個(gè)力不是一對(duì)平衡力。因此C選項(xiàng)錯(cuò)誤。

1.3 小結(jié)

通過這兩道例題的研究，使我們更加深入的了解了二力平衡的相關(guān)知識(shí)，二力平衡在生活中的應(yīng)用也很多，比如：人騎自行車（人和自行車達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，自行車就不會(huì)倒）、桌面上的花瓶（花瓶受到自身的重力與桌面對(duì)花瓶的支持力是一對(duì)平衡力）等等，都是生活中常見的二力平衡例子。

2 共點(diǎn)力平衡

2.1 共點(diǎn)力：兩個(gè)或兩個(gè)以上的力作用在物體上的同一點(diǎn)， 或它們的延長(zhǎng)線相交于同一點(diǎn)（力的作用點(diǎn)相同）。

2.2 處理共點(diǎn)力平衡問題的方法：物體的受力分析;力的合成與分解

2.3 例題分析：有OA、OB、OC三條細(xì)繩，它們能承受的最大拉力相同。在結(jié)點(diǎn)O處懸掛一物塊。如圖所示，A端、 B 端固定在墻上且OA端水平。若往 C端的物塊上慢慢增加砝碼，問最先斷的繩是（???? ）

A.必定是 OA

B.必定是 OB

C.必定是 OC

D.可能是 OB， 也可能是 OC

解析：力的分解法 . 由題意可知，物塊的重力G等于C繩的拉力T，即G=T，OA、OB繩的拉力可分解為如圖 1所示重力OC的兩個(gè)分力 F A 和 F B， 又由幾何關(guān)系可知三段繩中 OB繩的拉力最大，因此逐漸增加砝碼時(shí)， 最先斷的繩是OB。

力的合成法。由題意可知，O點(diǎn)的受力分析如圖2，F(xiàn) A 、 F B 分別表示OA、OB繩的拉力， OA、OB繩的合力為F ， 因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn) O 質(zhì)量不計(jì)， 因此它受到的力 F 與 OC張力大小相等、方向相反。如圖 2所示 ， 由平行四邊形定則可知： OB繩中張力最大， 因此慢慢增加砝碼使物塊重力增大時(shí)， OB繩先達(dá)到最大拉力， 所以最先斷的繩是 OB。

2.4 小結(jié)：處理共點(diǎn)力平衡問題的方法很多，例如：整體與隔離法、轉(zhuǎn)換法、解析法、圖解法等等，我們要根據(jù)物理情景來看，合理的利用相關(guān)方法來解答，能有效高效的提高我們解答問題的速度和準(zhǔn)確度。學(xué)習(xí)好了這個(gè)內(nèi)容，在生活中會(huì)發(fā)現(xiàn)做事情不會(huì)那么復(fù)雜了，使問題簡(jiǎn)化了好多！

了解了力學(xué)中平衡思想的應(yīng)用，下面我們來看一下在電學(xué)部分平衡思想的應(yīng)用，我將從靜電平衡來分析。

3 靜電平衡

3.1 靜電平衡：在導(dǎo)體中存在許多可以自由移動(dòng)的電荷，當(dāng)自由電荷受到電場(chǎng)力（或其他力）時(shí)，其所受到的這些力會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)就不會(huì)做定向運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，我們 把這種狀態(tài)叫做靜電平衡狀態(tài)。

3.2 靜電平衡的必要條件：導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度為零。

3.3 性質(zhì)：（1）平衡條件：E=0;

（2）場(chǎng)強(qiáng)分布：E內(nèi)=0（導(dǎo)體內(nèi)）;

（3）電荷分布：內(nèi)部無電荷，只分布于表面。

3.4 例題分析：q是一點(diǎn)電荷，M是一不帶電的金屬空腔，N是一小紙屑。在

下列情況中N會(huì)被吸引的是（??? ）

解析：小紙屑能否被吸引取決于它所在位置是否存在電場(chǎng)。如下圖所示，畫出4個(gè)圖的電場(chǎng)線，若小紙屑所處位置存在電場(chǎng)（或該處電場(chǎng)強(qiáng)度不為零），則小紙屑會(huì)被吸引，若小紙屑所處的位置不存在電場(chǎng)（該處電場(chǎng)強(qiáng)度為零），則不會(huì)被吸引。由圖可知，A和C中的小紙屑會(huì)被吸引。

3.5小結(jié)

在解決靜電平衡類問題時(shí)，一定要清楚理解靜電平衡的相關(guān)知識(shí)。靜電屏蔽是靜電平衡的一個(gè)應(yīng)用，此現(xiàn)象在生活中很常見，例如：在電梯里打電話，打不通等等。

4 熱力學(xué)平衡

4.1 熱力學(xué)平衡態(tài)：一個(gè)與外圍環(huán)境沒有物質(zhì)、能量交換的系統(tǒng)，不管其初態(tài)怎么變化，在一定時(shí)間后，系統(tǒng)的各種宏觀性質(zhì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有任何變化，這樣的狀態(tài)我們稱為熱力學(xué)平衡態(tài)。

4.2 特點(diǎn)：不隨時(shí)間變化;分布盡可能均勻。

4.3 例題：有冷、熱、溫三種不同溫度的水，一個(gè)小孩先把雙手同時(shí)分別放入冷水和熱水中，過了一會(huì)，小孩又把雙手同時(shí)放入溫水中。請(qǐng)問：經(jīng)過一段時(shí)間后，兩只手對(duì)“溫水”的感覺如何？（? ）

A：一只手很燙，一只手很冰;

B： 兩只手都很燙;

C： 兩只手都很冰;

D：兩只手的感受到的溫度一樣，不燙不冰，適中。

解析：當(dāng)小孩的手放在冷水和熱水中時(shí)，他的手會(huì)分別感覺到冷和熱兩種狀態(tài)，當(dāng)我們過一會(huì)后把雙手放入溫水中，他會(huì)感覺到摸冷水的手在溫水中會(huì)慢慢變熱，而摸熱水的手在溫水中會(huì)慢慢降溫，經(jīng)過一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)現(xiàn)他的雙手感覺到的溫度一樣，因此正確答案是D。

4.4 小結(jié)：在解決熱力學(xué)平衡這一塊問題時(shí)，一定要細(xì)心，這塊內(nèi)容在生活中也常會(huì)被利用。

5 結(jié)論

平衡思想在物理領(lǐng)域中有很重要的地位，使許多物理問題得到簡(jiǎn)化。同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)中要細(xì)心，學(xué)習(xí)好平衡思想這內(nèi)容后，會(huì)發(fā)現(xiàn)平衡思想在很多方面都有利用到，它可以提高學(xué)生的物理素質(zhì)，培育物理思維。平衡思想跟我們的生活息息相關(guān)，學(xué)好了平衡思想，把握好物理規(guī)律，融會(huì)貫通對(duì)初中物理各方面知識(shí)是極其有用的，對(duì)我們?cè)谏钌系挠锰幨呛艽蟮摹Ｆ胶馑枷氩粌H僅是在書本上會(huì)用到，在我們生活中也方方面面都存在的。比如：我們買菜會(huì)用到秤，這個(gè)秤砣上有刻度，刻度顯示的讀數(shù)就是稱砣稱量出的菜的重量，就是一種平衡;小朋友在公園玩的蹺蹺板、雜技演員走鋼絲，身體要有一個(gè)平衡、我們騎自行車也是要身體跟自行車達(dá)到一個(gè)平衡才不會(huì)倒等等，這些都是我們生活中用到的平衡，所以平衡這一思想是無處不在的！

（作者單位：黔南民族師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院）