| English | Forces in equilibrium |
|---|---|
| Bahasa Melayu | Daya dalam keseimbangan |
| 中文 | 力的平衡 |
释义
作用在物体上所有力的合力为零的状态,因此物体保持静止或以匀速运动。
你需要掌握的要点
当作用在物体上的合力为零时,该物体处于平衡状态,因此它会保持静止,或以恒定速度继续运动。4531 课程中常见的情况是三个力共同使某物体保持平衡,例如一盏灯以不同角度由两条绳索悬挂在天花板上。
解决三力平衡问题主要有两种方法。第一种是把力分解为水平分力与垂直分力,并应用条件 ΣFₓ = 0 N 与 ΣF_y = 0 N,即水平分力之和为零、垂直分力之和为零。
第二种是画出一个封闭的力的三角形,把三个力当作向量首尾相接地画出来;若物体处于平衡状态,这个三角形会完全闭合,没有缺口。
这两种方法都依赖准确的图示,标明每个力的方向与估计大小,因为错误的图示通常会导致错误的方程式与错误的最终答案,即使运算过程本身是正确的。
例题解析
一盏重 20 N 的灯以两条绳索悬挂在水平天花板上,处于平衡状态。绳索 A 与天花板成 60° 角,绳索 B 在灯的另一侧与天花板成 30° 角。
沿垂直方向分解,两条绳索张力的垂直分量之和必须支撑整个重量:T_A sin 60° + T_B sin 30° = 20 N。
沿水平方向分解,两条张力的水平分量必须互相抵消:T_A cos 60° = T_B cos 30°。
联立求解这两个方程,可得每条绳索的张力,例如 T_A ≈ 17.3 N,T_B ≈ 10 N,两者都以牛顿(N)正确表示。把两个数值代回原来的垂直与水平方程进行检验,可确认灯所受的合力确实为 0 N。
这一检验步骤适用于任何三力平衡问题,能在写下最终答案之前及早发现计算失误或角度设定错误。
考试如何考查
在试卷一中,客观题常要求考生判断哪一组三个力能产生平衡,或从图中辨认出一个正确闭合的力的三角形。在试卷二中,结构题通常要求考生写出平衡的条件、针对所描述的系统画出力的三角形,并利用力的分解计算未知的力或张力。
在试卷三中,实验任务可能涉及用绳索经过滑轮以测得的角度悬挂重物,然后要求考生通过实验确定张力,并与计算值进行比较。
常见错误是不一致地应用 ΣFₓ = 0 N 与 ΣF_y = 0 N、把角度与绳索对应错误,或画力的三角形时箭头没有按首尾相接的顺序排列,导致即使系统实际平衡,三角形也无法闭合。考生在使用任何一种方法作答之前,应先在图上清楚标注每个力的大小与方向,以免因图示不清而失去方法分。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)