小车与球的弹力受力分析

例：如图1—6所示，小车上固定着一根弯成α角的曲杆，杆的另一端固定一个质量为m的球，试分析下列情况下杆对球的弹力的大小和方向：（1）小车静止；（2）小车以加速度a水平向右运动；（3）小车以加速度a水平向左运动。
 

【题目分析】
此题杆对球的弹力与球所处的运动状态有关。分析时应根据不同的运动状态具体分析。（1）小车静止时，球处于平衡状态，所受合外力为零，因重力竖直向下，所以杆对球的弹力F竖直向上，大小等于球的重力mg，如图1—7甲所示。
（2）当小车向右加速运动时，因球只受弹力和重力，所以由牛顿第二定律F=ma得，两力的合力一定是水平向右。由平行四边形法则得，杆对球的弹力F的方向应斜向右上方，设弹力F与竖直方向的夹角为θ，则由三角知识得：F= EQ \R(,（mg）²+（ma）²⁾    tanθ=a/g  如图1—7乙所示。  
（3）当小车向左加速运动时，因球只受弹力和重力，所以由牛顿第二定律F=ma得，两力的合力一定是水平向左，由平行四边形法则得，杆对球的弹力F的方向应斜向左上方，设弹力F与竖直方向的夹角为θ，则由三角知识得：F= EQ \R(,（mg）²+（ma）²⁾    tanθ=a/g  如图1—7丙所示
可见，弹力的方向与小车运动的加速度的大小有关，并不一定沿杆的方向。
【解析】
（1）球处于平衡状态，杆对球产生的弹力方向竖直向上，且大小等于球的重力mg。
（2）当小车向右加速运动时，球受合力方向一定是水平向右，杆对球的弹力方向应斜向右上方，与小车运动的加速度的大小有关，其方向与竖直杆成arctan a/g角，大小等于 EQ \R(,（mg）²+（ma）²⁾ 。（3）当小车向左加速运动时，球受合力方向一定是水平向左，杆对球的弹力方向应斜向左上方，与小车运动的加速度的大小有关，其方向与竖直杆成arctan a/g角，大小等于 EQ \R(,（mg）²+（ma）²⁾ 。
【受力分析总结】
杆对球的弹力方向不一定沿杆，只有当加速度向右且a= gtanθ时，杆对小球的弹力才沿杆的方向，所以在分析物体与杆固定连接或用轴连接时，物体受杆的弹力方向应与运动状态对应并根据物体平衡条件或牛顿第二定律求解。