正确认识和深刻理解“三种力”

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  摘 要: 重力、弹力、摩擦力是高中物理力学研究中的三大力,对它们的产生原因,作用方向,以及其大小的研究,对后面力的合成,分解,力的平衡,以及力和运动的学习都是必不可少的内容。
  关键词: 三种性质的力 重力 弹力 摩擦力
  一、重力
  从概念上讲,重力是由于地球的吸引而使物体受到的力,是属于引力的范畴,但二者并不等同,重力的方向总是竖直向下的,不一定指向地心。重力的大小:G=mg同一地点,重力G的质量m成正比,即G=mg,地面附近g通常取9.8N/kg同一物体不同地点,g值不同,重力G不同。重力随纬度的增加而增大,随地面高度的增加而减小,大小的测量工具是弹簧测力计,重力的作用点——重心,它不一定在物体上。
  例,身体素质和技术相当的跳高运动员,在一般情况下越过相同的高度用“背越式”跳法要比用“跨越式”容易些,你能说出其中道理吗?因为当是同一个人的时候,跳起来的时候能量是一样的,用跨越式,因为跨过同样的高度的时候重心要比背越式高,所以能量是一样的时候,背越式会好。
  二、弹力
  1.形变
  物体形变指物体发生的物体形状和体积等变化,从形变能否完全恢复可分为:(1)弹性形变,例如弹簧的形变;(2)范性形变,如橡皮泥的形变。
  从定义方面指发生弹性形变的物体,由于要恢复原状,就会对跟它接触、使它发生形变的物体产生力的作用,这种力叫做弹力。按照力的作用效果看压力,支持力,拉力都是弹力。压力,支持力的方向总是垂直于支持面指向被压或被支持的物体,绳的拉力方向沿绳的收缩方。
  2.弹力产生的条件及有无弹力的判断
  例:如图所示,用细绳悬挂的小球与光滑斜面相接触,并保持静止,甲中细绳倾斜,乙中细绳呈竖直方向。判断图甲、乙中小球是否受到斜面的弹力作用?
  总结:当物体的形变情况难以直接作出判断时,采用两种假设法分析弹力是否存在:一种是假设弹力不存在(即解除相关的接触面),看看在其他条件不变的情况下,物体是否会改变原先的运动状态;另一种是假设弹力存在,看看物体是否能保持给定的运动状态。
  3.弹力的方向
  与施力物体产生该弹力的形变的方向相反,或与物体恢复原状趋势的方向相同。常见的有如下几种情况:
  (1)轻绳的拉力方向:沿绳指向绳收缩的方向。
  (2)压力、支持力的方向:垂直于接触面指向被压或被支持的物体。
  ①点与曲面接触的压力或支持力的方向,总垂直于接触处曲面的切面,指向被压或被支持的物体,如左图所示,球面和杆端处,杆的端点所受弹力的示意图N■。
  ②线与线之间的压力、支持力:垂直于两条直线,或垂直于两条曲线接触处的切线如上图N■所示。
  ③球与平面接触的弹力方向,如图所示,在接触点与球心连线上而指向受力物体。
  ④球与球接触的弹力方向,垂直于过接触点的公切面而指向受力物体。
  (3)弹簧产生的压力或拉力的方向:沿弹簧的轴线,指向弹簧恢复原形的方向。
  (4)轻杆既可产生压力又可产生拉力,且方向不一定沿杆。
  4.弹力的大小
  弹力的大小跟形变量的大小有关,形变量越大,弹力也越大。
  (1)弹簧的弹力,由胡克定律F=kx,k为劲度系数,由本身的物理条件(材料、长度、截面积等)决定,形变量为x,即弹簧形变后的长度L与原长L■的差:x=|L-L■|,x不是弹簧的长度。
  (2)一般物体所受弹力的大小,可以根据运动状态,利用平衡条件和牛顿运动定律计算。
  三、摩擦力
  摩擦力有滑动摩擦力和静摩擦力两种,它们的产生条件和方向判断是既有联系又有区别。
  1.摩擦力的分类
  静摩擦力:相互接触的粗糙物体,有相对运动趋势时,在接触面上所受的阻碍相对运动趋势的力。静摩擦力是被动力,所以静摩擦力与产生静摩擦力的外力二力平衡,符合二力平衡条件。
  滑动摩擦力:相互接触的粗糙物体,有相对运动是受到的阻碍相对运动的力。
  2.摩擦力的产生条件
  (1)相互接触的物体间存在压力;
  (2)接触面粗糙;
  (3)接触的物体之间有相对运动(滑动摩擦力)或相对运动的趋势(静摩擦力),这三点缺一不可。
  3.静摩擦方向
  沿接触面的切线方向(即产生条件中的弹力的方向垂直),与物体相对运动趋势(或相对运动)的方向相反。摩擦力作为动力即摩擦力的方向可能和物体的运动方向相同,摩擦力也可能作为阻力即和物体运动方向相反。
  说明:研究相对运动时选择参考系的另一物体不一定是地面,摩擦力阻碍的是物体间的相对运动,其方向不一定与物体的运动(以地面为参考系)方向相反。
  4.大小
  (1)静摩擦力大小
  ①必须明确,静摩擦力大小不能用滑动摩擦定律计算,只有当静摩擦力达到最大值时,其最大值一般可认为等于滑动摩擦力,即F■=μF■,最大静摩擦力,即物体将要开始相对滑动时摩擦力的大小(最大静摩擦力与正压力成正比)。
  ②静摩擦力的大小要根据物体的受力情况和运动情况共同确定,其可能的取值范围是:0  说明:静摩擦力大小跟物体所受的外力、运动状态有关。在一定条件下,相对运动趋势越强,静摩擦力越大,其大小由平衡条件或牛顿定律求解。
  (2)滑动摩擦力大小
  ①在接触力中,必须先分析弹力,再分析摩擦力。
  ②只有滑动摩擦力才能用公式F=μF■,滑动摩擦力与正压力成正比,其中μ为动摩擦因数,与接触面的材料和粗糙程度有关;F■表示正压力,不一定等于重力G。
  总之,对物体受力分析过程中,分析本文中的三种性质的力,重力一定存在外,其余的从接触面上分析。在一个接触面上,可能存在两个力,一个是与接触面垂直的弹力,另一个是方向与接触面平行的摩擦力。当然,弹力和摩擦力到底有还是没有,还要进一步通过它们的产生条件判断,并不能凭个人主观想象。
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