EJU 2015 年第 1 回 物理 第 1 题

考点
刚体的平衡与力矩
领域
力学
难度
困难
标准答案
③

解析摘要

标准解析

以固定点 O 为转轴比较两个重力的力矩

研究对象取三角形板。板质量可忽略,而两个重物静止,因此细线对板在 A、B 两点施加的竖直向下拉力分别为 m1gm_1g、m2gm_2g。对固定转轴 O 取力矩,可不必处理 O 处的支持力,因为它的力臂为零。竖直力的力臂就是作用点相对 O 的水平距离。

取向右为水平正方向。沿 AB 从 A 指向 B 的单位方向可取为 (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos\theta,\sin\theta);从 AB 中点指向 O 的方向垂直于 AB。由几何投影可得

xA=−ℓcos⁡θ+dsin⁡θ,xB=ℓcos⁡θ+dsin⁡θx_A=-\ell\cos\theta+d\sin\theta,\qquad x_B=\ell\cos\theta+d\sin\theta

。

图示平衡时 A、B 分居 O 的两侧,所以两重力的力矩方向相反。力矩平衡给出

m1g(ℓcos⁡θ−dsin⁡θ)=m2g(ℓcos⁡θ+dsin⁡θ)m_1g(\ell\cos\theta-d\sin\theta)=m_2g(\ell\cos\theta+d\sin\theta)

。

约去 gg 后,

m1m2=ℓcos⁡θ+dsin⁡θℓcos⁡θ−dsin⁡θ\frac{m_1}{m_2}=\frac{\ell\cos\theta+d\sin\theta}{\ell\cos\theta-d\sin\theta}

。

当 θ=0\theta=0 时,两个力臂同为 ℓ\ell,结果变为 m1/m2=1m_1/m_2=1,与水平且左右对称的情形一致。

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