矢量三角形法則是從平行四邊形法則演變來的,是矢量運算的法則。用矢量三角形分析和計算矢量的最小值, 即簡便又形象,有事半功倍的效果,下面舉例分析。
一、求電場強度最小值
例1 質(zhì)量為m的帶正電小球A懸掛在絕緣細線上,其電荷量為q,且處勻強電場中。當小球A靜止時,細線與豎直方向成30°角,如圖所示,求勻強電場強度E的最小值及其方向。
解析:由于小球受重力、電場力和繩的拉力處于靜止狀態(tài),故小球所受的重力和電場力的合力一定沿繩的方向向下。根據(jù)三角形法則可做出重力、電場力及其合力的矢量三角形,如圖?梢姰旊妶隽E和合力F垂直時,電場力最小,即E最小。
由幾何關(guān)系得:mgsin30°=qE
解得:E小=mg/2q
方向:垂直于繩向上
二、求速度最小值
例2 有一小船在渡河,如圖所示,在離對岸30m時,其下游40m處有一危險水域,假若水流速度為5m/s,為了使小船在危險水域之前到達對岸,求小船從現(xiàn)在起,相對于靜水的最小速度。
解析:小船同時參與兩個運動,隨水流的運動和相對于水的運動,兩分速度分別為v1和v2,與合速度v可組成矢量三角形,如圖,當小船恰好在危險區(qū)登陸,且v2垂直于v時,v2最小。v2=v1sinα,由位移關(guān)系可得:sinα=3/5 解得最小速度v2=3m/s 船頭指向:與上游河岸成53°。
三、求力的最小值
例3 將質(zhì)量m=5kg的木板置于水平桌面上,其右端三分之一長度推出桌子邊緣,木板與桌面間動摩擦因數(shù)為,試求欲將木板推回桌面所施加的最小推力。
解析:木板受力為:重力mg、支持力FN、摩擦力Fμ、和推力F。因Fμ與壓力成正比,所以Fμ和FN也成正比,兩者的合力方向F合是確定的,且tanα= Fμ/FN=μ,可得α=30°,如圖。
剛好推動木板的條件是合力恰好為零,即重力、推力和F合三個力的合力為零。重力和推力的合力應(yīng)該與F合共線。做重力、推力、及其合力的矢量三角形如圖,可知當推力與合力的方向垂直時,其值最小,如圖中的F2?山獾 Fmin=mgsin&alpha 高考;=25N,方向:與水平方向的夾角為30°向上。
此題將支持力和摩擦力合成為一個方向恒定的力F,通過這種巧妙的轉(zhuǎn)化,可做出矢量三角形,有此法求解。
四、求動量的最小值
例4 真空中存在空間范圍足夠大的、水平向右的勻強電場。在電場中,若將一個質(zhì)量為m、帶正電的小球由靜止釋放,運動中小球速度與豎直方向夾角為37°(取sin37°=0.6,cos37°=0.8),F(xiàn)將該小球從電場中某點以初速度v0豎直向上拋出。求運動過程中,求小球的最小動量的大小及方向。
解析:首先做出電場力和重力的合力F,再做出初動量P0的方向。根據(jù)動量定理可知,合力的方向和動量變化ΔP的方向相同,根據(jù)三角形法則,作出P0、ΔP、和末動量Pt的矢量三角形,如圖,當Pt垂直于ΔP時,動量最小。
解得:Pmin=mv0sin37°=0.6mv0,方向:與電場方向成37°向上。
此題是將電場力和重力合成,得到合力F的方向,從而得到動量變化ΔP的方向,通過轉(zhuǎn)化,得到了動量的矢量三角形,此很簡便。
五、求磁感應(yīng)強度的最小值
例5 如圖所示,平行于紙面水平向右的勻強磁場,磁感應(yīng)強度為B1=1T。位于紙面內(nèi)的細直導(dǎo)線,長L=1m,通有I=1A的恒定電流。當導(dǎo)線與B1成60°的夾角時,發(fā)現(xiàn)其受到的安培力為零,則區(qū)域同時存在的另一個勻強磁場的磁感應(yīng)強度B2的可能值( 。
A. B. C. D.
解析:由題意可知,導(dǎo)線受到的安培力為0,說明B1、B2的合磁場B與I平行,B1、B2和B滿足用矢量三角形求最小值的條件。做矢量三角形如圖,可知B2垂直合磁場B時,有最小值,且為B1sin60°=。故正確答案為:BCD
總結(jié):當三個矢量關(guān)系能組成矢量三角形,且其中一個矢量恒定;另一個矢量的方向恒定,大小可以變化;第三個矢量大小和方向都在變化。滿足以上條件可以用該方法求第三個矢量的最小值,且只有垂直時最小。
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