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物理概念是物理学研究实际问题时根据需要引入的,也是表达物理规律的基础.理解好物理概念,是学好物理的第一步.常见的高中物理中的重要概念,如何准确理解,往往存在一些模糊和错误认识.本文对常见的一些重要概念往往出现的模糊或错误认识做一分析界定和探讨.
1 合外力
常常见一些资料上说“合外力”,大多数教师上课也说“合外力”,那到底有没有“合外力”的概念呢?在一些大学教材,如赵凯华、罗蔚茵的《新概念物理教程﹒力学》及在漆安慎、杜婵英的《普通物理学教程﹒力学》中都没有“合外力”的提法.在《中等学校适用﹒物理教师手册》(人民教育出版社物理室编)的第一编“概念规律及其应用”中也没有“合外力”的提法.那“合外力”是怎么来的呢?顾名思义 “合外力”可能是指外力的合力,那就叫“合力”不就行了吗?叫“合外力”实在没有必要.可能有人认为对系统而言叫“合外力”,如果是对一个系统,更不能叫“合外力”,应该叫“外力之和”或“外力的矢量和”或“力的矢量和”. (见下面的2、“合力”与“力的矢量和” )“合力”与“外力的矢量和”是两个完全不同的概念.其实在物理学名词中根本就没有“合外力”这样一个概念.
2 “合力”与“力的矢量和”
合力与分力是根据物体(质点)在运动状态或形变的等效建立的概念.学生往往认为所有力都能求合力,因此也常常将动量守恒的条件说成是合力为零,这是错误的.在《中等学校适用﹒物理教师手册》(人民教育出版社物理室编)的第一编“概念规律及其应用”中对“合力”是这样定义的:“共点力组成的力系可以约化成一个力,成为共点力的合力,它等于力系中各个力的矢量和.合力对物体的力学效应,与力系中各个力对物体共同作用的力学效应相等”,“作用在物体上的非共点力F1,F2,…,Fn组成的力系,一般不能约化成一个单力,而只能约化成作用在任意点O(称为约化中心)的单力R,…应该注意力系的主矢量R和合力两个概念的差别”.
在《中等学校适用﹒物理教师手册》(人民教育出版社物理室编)的第一编“概念规律及其应用”中对“动量守恒定律”是这样表述的:“质点如果不受力的作用或者作用在质点上的合力始终为零,则质点的动量保持不变.质点系如果不受外力作用或者作用于质点系的外力的矢量和始终为零,则质点系的总动量保持不变.”
可见,动量守恒的条件对系统是外力的矢量和为零,而不是合力为零.“合力”是指作用在质点上的力的矢量和;而“外力的矢量和”是指把作用在系统上的所有外力平移到某点后求出的矢量和.“外力的矢量和”是对系统而言,与原来的力不具有等效性;而“合力”是对质点而言,与原来共同作用的几个力具有等效性.
3 向心加速度越大,线速度方向变化越快吗
向心加速度描述线速度方向变化的快慢,因而,很多学生认为,向心加速度越大,线速度方向变化就越快.其实,这一认识是错误的.速度方向变化的快慢是由速度矢量方向的变化率即由角速度ω描述,而向心加速度与角速度是两回事.如两个质点都做匀速圆周运动,角速度相同,但半径不同,因a=ω2r,因此它们的向心加速度是不同的,但它们速度方向变化的快慢是相同的.当质点的向心加速度相同,而角速度不同时,它们的速度方向的变化快慢是不同的.
4 物理中的“等效”
利用两种事物或现象的“等效”来讨论研究问题,是物理学中常见的方法.如“合力”的概念的建立.但是,只要提到等效,就至少涉及到两种事物或现象,而且它们一定是一些不同的事物和现象,否则就不存在等效的问题.这也就是说,等效是不同中的“相同”,而不是在各个方面的“全同”,即只能是不同事物或不同现象在某些方面、在某些条件下的“相同”.因此,所谓等效是有条件的、有适用范围的,不能以偏盖全.如“合力”与“分力”的概念,仅就质点的运动状态的改变或形变等效,不是所有的力学效应等效.
例如“习惯上规定正电荷定向运动的方向为电流的方向,和负电荷定向运动的方向相反.”因此,也就有“正电荷沿某一方向的运动等效为等量的负电荷沿相反方向的运动”,此处的“等效”也仅就形成的电流方向而言是正确的.在分析霍尔元件在磁场中产生霍尔效应的侧面电势高低时,载流子是电子,就不能等效为等量的正电荷的运动,否则会得出错误的结论.再如在电流问题中经常会画出“等效电路”,此“等效电路”仅对整个电路的电流、电压的效果是等效的,对局部电路不可能等效,“等效电路”不能完全替代原来的电路.还如一个轻弹簧,受到等大反向的二力时,“合力”为零,但轻弹簧处于伸长状态,与不受力情况完全不同. 这里显然不是全部等效,此处等效的“合力”仅指运动状态的改变,也不是指形变.
5 “分运动的独立性原理”正确吗
在学习运动的合成与分解及平抛运动和时,多数教师会讲到一条叫做“分运动的独立性原理”,其实根本不存在一条运动的独立性原理,分运动并不普遍具有独立性,运动的分解不依赖于分运动的独立性.
如对做斜抛运动的物体,如果将其分解为沿初速度方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动,对运动时间的分析,只由竖直的自由落体运动即只由抛出的高度决定吗?显然不是,在抛出的高度相同,初速度不同时,运动的时间是不同的.可见,这两个分运动是相互影响、相互制约的,并不是独立的.
在物理规律中确有“力的独立作用原理”,但它是以力的矢量性为基础的.由“力的独立作用原理”不能得出“分运动的独立性原理”,它们之间没有因果关系.
6 功的公式中的位移l
功的公式W=Flcosα中的位移l应怎样理解,学生往往是模糊的.在高中物理中,主要研究的是质点,因此把位移l作为物体的位移是正确的,但当物体不能看成质点时,位移l应为力的作用点的对地的位移.如2006年高考理综Ⅰ卷物理试题20:
一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳,经Δt时间,身体伸直并刚好离开地面,速度为v.在此过程中,
A.地面对他的冲量为mv mgΔt,地面对他做的功为mv2/2
B.地面对他的冲量为mv mgΔt,地面对他做的功为零
C.地面对他的冲量为mv,地面对他做的功为12mv2
D.地面对他的冲量为mv-mgΔt,地面对他做的功为零
此题正确的是C.地面对人做的功为零,原因是人起跳的过程不能看成质点,地面对人的作用力作用在人脚上,当身体伸直并刚好离开地面的过程中,此力的作用点位移为零,因而做功为零.
7 合力做的功与各力做功的和
一般认为,合力做的功与外力做功的和应相等.有两种情况值得讨论.其一是当物体可视为质点时,作用在物体上的各力的作用时间不同.此时,是否存在一个合力呢?理论上应该存在这样一个“合力”,使物体达到同样的运动状态.但我们求总功时,不能先求合力再求合力的功,而是求各个力做功的代数和.其二是当物体不能看做质点时,就不存在一个“合力”的概念,一方面各力作用点可能不同,另外可能有内力做功,就只能求各个力做功的代数和.如上例中,只能求人起跳过程中支持力、重力与内力做的总功,就没有“合力”及“合力做功”的概念.
1 合外力
常常见一些资料上说“合外力”,大多数教师上课也说“合外力”,那到底有没有“合外力”的概念呢?在一些大学教材,如赵凯华、罗蔚茵的《新概念物理教程﹒力学》及在漆安慎、杜婵英的《普通物理学教程﹒力学》中都没有“合外力”的提法.在《中等学校适用﹒物理教师手册》(人民教育出版社物理室编)的第一编“概念规律及其应用”中也没有“合外力”的提法.那“合外力”是怎么来的呢?顾名思义 “合外力”可能是指外力的合力,那就叫“合力”不就行了吗?叫“合外力”实在没有必要.可能有人认为对系统而言叫“合外力”,如果是对一个系统,更不能叫“合外力”,应该叫“外力之和”或“外力的矢量和”或“力的矢量和”. (见下面的2、“合力”与“力的矢量和” )“合力”与“外力的矢量和”是两个完全不同的概念.其实在物理学名词中根本就没有“合外力”这样一个概念.
2 “合力”与“力的矢量和”
合力与分力是根据物体(质点)在运动状态或形变的等效建立的概念.学生往往认为所有力都能求合力,因此也常常将动量守恒的条件说成是合力为零,这是错误的.在《中等学校适用﹒物理教师手册》(人民教育出版社物理室编)的第一编“概念规律及其应用”中对“合力”是这样定义的:“共点力组成的力系可以约化成一个力,成为共点力的合力,它等于力系中各个力的矢量和.合力对物体的力学效应,与力系中各个力对物体共同作用的力学效应相等”,“作用在物体上的非共点力F1,F2,…,Fn组成的力系,一般不能约化成一个单力,而只能约化成作用在任意点O(称为约化中心)的单力R,…应该注意力系的主矢量R和合力两个概念的差别”.
在《中等学校适用﹒物理教师手册》(人民教育出版社物理室编)的第一编“概念规律及其应用”中对“动量守恒定律”是这样表述的:“质点如果不受力的作用或者作用在质点上的合力始终为零,则质点的动量保持不变.质点系如果不受外力作用或者作用于质点系的外力的矢量和始终为零,则质点系的总动量保持不变.”
可见,动量守恒的条件对系统是外力的矢量和为零,而不是合力为零.“合力”是指作用在质点上的力的矢量和;而“外力的矢量和”是指把作用在系统上的所有外力平移到某点后求出的矢量和.“外力的矢量和”是对系统而言,与原来的力不具有等效性;而“合力”是对质点而言,与原来共同作用的几个力具有等效性.
3 向心加速度越大,线速度方向变化越快吗
向心加速度描述线速度方向变化的快慢,因而,很多学生认为,向心加速度越大,线速度方向变化就越快.其实,这一认识是错误的.速度方向变化的快慢是由速度矢量方向的变化率即由角速度ω描述,而向心加速度与角速度是两回事.如两个质点都做匀速圆周运动,角速度相同,但半径不同,因a=ω2r,因此它们的向心加速度是不同的,但它们速度方向变化的快慢是相同的.当质点的向心加速度相同,而角速度不同时,它们的速度方向的变化快慢是不同的.
4 物理中的“等效”
利用两种事物或现象的“等效”来讨论研究问题,是物理学中常见的方法.如“合力”的概念的建立.但是,只要提到等效,就至少涉及到两种事物或现象,而且它们一定是一些不同的事物和现象,否则就不存在等效的问题.这也就是说,等效是不同中的“相同”,而不是在各个方面的“全同”,即只能是不同事物或不同现象在某些方面、在某些条件下的“相同”.因此,所谓等效是有条件的、有适用范围的,不能以偏盖全.如“合力”与“分力”的概念,仅就质点的运动状态的改变或形变等效,不是所有的力学效应等效.
例如“习惯上规定正电荷定向运动的方向为电流的方向,和负电荷定向运动的方向相反.”因此,也就有“正电荷沿某一方向的运动等效为等量的负电荷沿相反方向的运动”,此处的“等效”也仅就形成的电流方向而言是正确的.在分析霍尔元件在磁场中产生霍尔效应的侧面电势高低时,载流子是电子,就不能等效为等量的正电荷的运动,否则会得出错误的结论.再如在电流问题中经常会画出“等效电路”,此“等效电路”仅对整个电路的电流、电压的效果是等效的,对局部电路不可能等效,“等效电路”不能完全替代原来的电路.还如一个轻弹簧,受到等大反向的二力时,“合力”为零,但轻弹簧处于伸长状态,与不受力情况完全不同. 这里显然不是全部等效,此处等效的“合力”仅指运动状态的改变,也不是指形变.
5 “分运动的独立性原理”正确吗
在学习运动的合成与分解及平抛运动和时,多数教师会讲到一条叫做“分运动的独立性原理”,其实根本不存在一条运动的独立性原理,分运动并不普遍具有独立性,运动的分解不依赖于分运动的独立性.
如对做斜抛运动的物体,如果将其分解为沿初速度方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动,对运动时间的分析,只由竖直的自由落体运动即只由抛出的高度决定吗?显然不是,在抛出的高度相同,初速度不同时,运动的时间是不同的.可见,这两个分运动是相互影响、相互制约的,并不是独立的.
在物理规律中确有“力的独立作用原理”,但它是以力的矢量性为基础的.由“力的独立作用原理”不能得出“分运动的独立性原理”,它们之间没有因果关系.
6 功的公式中的位移l
功的公式W=Flcosα中的位移l应怎样理解,学生往往是模糊的.在高中物理中,主要研究的是质点,因此把位移l作为物体的位移是正确的,但当物体不能看成质点时,位移l应为力的作用点的对地的位移.如2006年高考理综Ⅰ卷物理试题20:
一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳,经Δt时间,身体伸直并刚好离开地面,速度为v.在此过程中,
A.地面对他的冲量为mv mgΔt,地面对他做的功为mv2/2
B.地面对他的冲量为mv mgΔt,地面对他做的功为零
C.地面对他的冲量为mv,地面对他做的功为12mv2
D.地面对他的冲量为mv-mgΔt,地面对他做的功为零
此题正确的是C.地面对人做的功为零,原因是人起跳的过程不能看成质点,地面对人的作用力作用在人脚上,当身体伸直并刚好离开地面的过程中,此力的作用点位移为零,因而做功为零.
7 合力做的功与各力做功的和
一般认为,合力做的功与外力做功的和应相等.有两种情况值得讨论.其一是当物体可视为质点时,作用在物体上的各力的作用时间不同.此时,是否存在一个合力呢?理论上应该存在这样一个“合力”,使物体达到同样的运动状态.但我们求总功时,不能先求合力再求合力的功,而是求各个力做功的代数和.其二是当物体不能看做质点时,就不存在一个“合力”的概念,一方面各力作用点可能不同,另外可能有内力做功,就只能求各个力做功的代数和.如上例中,只能求人起跳过程中支持力、重力与内力做的总功,就没有“合力”及“合力做功”的概念.