例談平衡思維在物理學習中的應用

鄧育良

【摘要】? 平衡思維能夠把物體的受力情況和運動狀態關聯起來，可以在分析和解決力學相關問題時發揮重要作用。本文對平衡思維的分類及其應用進行舉例分析。

【關鍵詞】? 平衡思維 物理學習 應用

【中圖分類號】? ?G633.7 ? ?? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】? A ? ? 【文章編號】? 1992-7711（2020）25-080-01

一、平衡思維的應用分類

所謂“平衡思維”，就是以平衡狀態為核心，分析推導出物體受力和運動情況的思維。“平衡狀態”就是物體運動的快慢和方向不變的狀態，具體可以分為以下兩大類：

（一）平動（即在空間中平移）物體的平衡：平動物體在運動過程中“不受外力”或“受到平衡力”（所謂受到平衡力就是物體在同一直線上所受的力等大、反向，而這兩個相反方向的力對物體運動狀態的改變效果可以相互抵消）;它在運動方面的表現是“靜止狀態”或“勻速直線運動狀態”。

（二）轉動（即物體以某直線為軸做圓周運動）物體的平衡：轉動物體的平衡是指力矩平衡，即：正反兩個方向的力矩（即力與力臂的乘積）總和相等，所產生的加速轉動效果相互抵消，即：動力的力矩之和 = 阻力的力矩之和;物體表現為“靜止”或“勻速轉動狀態”。

二、平衡思維在物理學習中的具體應用

（一）平動的物體

1.根據受力情況推知物體的運動情況

例1：在水平地面上滾動越來越慢的足球，如果它所受外力同時消失，它將____________。

分析：足球所受外力同時消失，則足球此時的受力情況為“不受外力”，處于“平衡狀態”，足球的運動快慢和方向都將不變，足球將保持原來的速度不變，因此足球將繼續維持外力消失那一刻的速度，即做“勻速直線運動”。 故而答案為：做勻速直線運動。

例2：圖中分別采用兩種方式用滑輪拉同一物體，使物體能夠在水平面上做勻速直線運動，請計算出圖中F1和F2的大小。已知物重40 N，摩擦力為10 N，則F1=____________N;F2=____________N.

分析：左圖中物體在定滑輪拉力F1作用下做勻速直線運動，故有水平方向：向左的力=向右的力，即F1=f，所以F1=10N。右圖中F2通過動滑輪使物體向左做勻速直線運動，物體和動滑輪作為一個整體一起處于平衡狀態，這個整體有，水平方向：向左2段繩子的拉力之和=向右的摩擦力，即2F2=f，所以F2=5N。故而答案為：10N，? 5N.

2.根據運動情況推知物體的受力情況

例3：勻速上升時，直升飛機產生的升力____________飛機的重力;勻速下降時，直升飛機產生的升力____________飛機的重力（填“大于”“等于”“小于”）。

分析：勻速上升為平衡狀態，故飛機應“受平衡力”或“不受外力”，因飛機必受重力作用，故有升力=重力;勻速下降時，升力=重力;故答案為：等于、等于。

（二）轉動的物體：運用杠桿平衡條件分析杠桿平衡的相關問題

例4：請畫出圖中錘子拔釘子時所使用的最小力F的示意圖和它的動力臂L1.

分析：動力最小，必使動力臂最長，最長動力臂為支點到動力作用點的連線OA。拔釘時，阻力矩使錘逆時針轉，動力矩轉動方向相反，故動力過A點垂直OA指向右上方。

例5：小明根據杠桿平衡原理自制一把桿秤。他先在木桿粗一端做一個掛盤，然后找到中間某一點作為支點，打上螺釘，系上細繩，秤砣掛在緊貼支點的零刻線處，用手提起細繩，木桿能在水平位置平衡。然后他在掛盤中放入事先稱好的一千克物體，在木桿右邊掛上用細繩套好的金屬塊當做秤砣。調節秤砣的懸掛位置，當木桿穩定在水平位置時，在懸線處標注刻度，此處為1kg，測量發現此刻度離支點距離為10cm.

問：（1）在水平位置保持平衡的目的是使桿秤的____________落在支點上，避免____________的影響。

（2）若將秤砣端的拉力當做動力，掛盤端的拉力當做阻力，則當我們用桿秤稱物體質量時，是在阻力____________、阻力臂____________（填“改變”或“不變”）的情況下，通過保持________________________大小不變，改變____________大小的方式來調節杠桿的平衡（填“動力”或“動力臂”）

（3）若在掛盤中放入3kg的物體，秤砣的懸點離支點的距離應為____________cm

分析：（1）水平位置平衡時，秤桿的重心將落在支點上，此時重力的力臂變為零，避免了秤桿的自重對桿秤的平衡造成干擾。

（2）稱量時，掛盤的懸掛點位置不變，則阻力的力臂不變;改變被稱物體的質量，則改變了阻力的大小;秤砣的質量不變，故而產生的動力也不變;移動秤砣的懸掛位置，改變了動力的力臂。

（3）根據：動力x動力臂=阻力x阻力臂 即：G砣L動=G物L阻，故有

稱1kg物體時：G砣×10cm =1kg × 10N/kg × L阻——①

稱3kg物體時，G砣× L動 =3kg × 10N/kg × L阻——②

聯①②兩式，可得，L動=30cm

故答案為：（1）水平? 重心? 桿秤的自重 （2）改變? 不變? ?動力? 動力臂? （3） 30

三、總結

平衡思維是物理學習中的一種重要思維，可以推知物體的受力情況和運動狀態，可以幫助我們分析和解決很多力學相關的物理問題。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1]殷麗.解決動態平衡問題的物理思維方法——數學轉化思想[J]. 中學物理（高中版），2012，030（004）：21-22.

[2]沈建民.高中物理學習策略及其教學對策淺探[J].教育科學研究，2002（05）：33-36.