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力是具有多重性质的物理量,在中学物理教学中一般按照力的不同性质或不同效果将其进行分类,而大学物理中更明确提出了主动力和被动力的分类方式,如重力、静电力、洛伦兹力、分子力等,因有其“独立自主的”方向和大小,不受质点所受其它力的影响,处于“主动地位”,被称之为主动力。物体间的挤压力、绳内张力、和摩擦力常常没有自己独立的方向和大小,而是由主动力及运动状态决定,称为被动力。被动力与主动力性质并不相同,由于被动力必定是由某种主动力引起的,在问题情境中随主动力及运动状态的变化而改变,所以被动力总是与主动力相联系。被动力的存在以及变化一定反映了主动力的特征以及变化,将“被动力”引入教学可以对物体运动产生有新意的理解。
1 以斜面运动为例讨论重力以及被动力的关系
1。1 固定斜面上物块的运动
[TP12GW57。TIF,Y#]
如图1,斜面上的物体受到重力、斜面支持力和摩擦力的作用,其中斜面支持力和摩擦力是由重力引起的被动力,斜面支持力FN=mgcosθ,若物体静止于斜面,则摩擦力f=mgsinθ,若物体沿斜面运动,则摩擦力f=μmgcosθ,显然支持力和摩擦力都正比于重力的大小。
做自由落体运动的物体由于只受重力,其运动规律与质量无关,如a=g,v=gt,h=[SX(]1[]2[SX)]gt2,即物体的加速度与质量无关、速度与质量无关、发生的位移同样与质量无关。
斜面只是被“减缓”了的自由落体运动,所以物体沿斜面的运动与自由落体性质相同。重力会引起斜面支持力和摩擦力对物体的作用,支持力和摩擦力都是重力引起的被动力,皆与重力成正比,“由重力引起物体的加速度与物体的质量无关”仍然适用于物体在斜面上的运动,物体的运动规律同样与质量无关。
[TP12GW59。TIF,Y#]
如图2所示,若斜面满足tanθ<μ条件,物块A放在斜面上静止不动。在物块A上再叠放物块B,物块A和B会怎样运动?
对此问题进行测试,很多同学也包括一些老师突然回答这个问题给出的答案是,如果两个物块质量较大就会下滑。这是典型的来自生活体验的一种错觉,这个答案不符合重力作用的物理原理。
在放置B物块前,A处于平衡状态,合力为零。放置B物块后,将A物块与B物块看作一个整体,重力改变多少倍,则支持力与摩擦力随重力正比例地改变多少倍,三力之间的关系没有改变,合力仍然为零,A、B物块作为整体仍处于静止状态。
同理,当tanθ=μ,且物块A恰好沿斜面匀速下滑,在物块A上再叠放物块B,两个物块一起沿斜面匀速下滑,且速度大小保持不变;当tanθ>μ,物块A沿斜面加速下滑,在物块A上再叠放物块B,两个物块一起沿斜面加速下滑,且加速度大小保持不变。
由重力引起的被动力与重力之间存在正比例的内在关系,重力以及由重力引起的被动力之间的关系与质量无关,当质量变化时关系保持不变,物体运动状态保持不变。从被动力视角很容易理解这种关系的物理意义,用该规律解决相关问题既便于学生理解、记忆,又突破了生活体验中的错误前概念。
对上述结果的理解可以延拓到生活实际中,土堆自然形成的摩擦角与质量无关μ=tanθ;土堆自然形成的倾斜角只与土粒的含水量和表面液膜带电性有关,即只与土质有关而与土块的质量无关。
1。2 可自由滑动斜面上物块的运动
[TP12GW58。TIF,Y#]
如图3所示,质量为m的物块A置于倾角为θ,质量为M的斜面体上,物体与斜面间的动摩擦因数为μ,而斜面体放在光滑水平面上。
满足tanθ<μ条件时,物块A在斜面上保持静止,而斜面体也保持静止状态。在物块A上再叠放物块B,力的关系并没有改变,A、B物块作为整体仍处于静止状态,而斜面体也保持静止状态。
当tanθ=μ,且物块A相对斜面体匀速下滑,而斜面体沿光滑水平面匀速运动。在物块A上再叠放物块B,力的关系并没有改变,A、B物块作为整体沿斜面体匀速下滑,且相对速度大小保持不变。斜面体沿光滑水平面做匀速运动,但叠放物块B后,由动量守恒可知斜面体的速度比之前的速度大。
当tanθ>μ,物块A相对斜面体加速下滑,在物块A上再叠放物块B,力的关系并没有改变,两个物块一起相对斜面体加速下滑,且相对加速度大小保持不变。斜面体沿光滑水平面做加速运动,但叠放物块B后斜面体的加速度大小比之前的加速度大。
当斜面体沿水平面加速运动时,斜面上的物块受到惯性力(-ma)的作用,惯性力(-ma)其实也是由斜面上物块A的重力引起的被动力,其大小与物块A的重力成正比,所以斜面上物块的受力关系仍与质量无关。
1 以斜面运动为例讨论重力以及被动力的关系
1。1 固定斜面上物块的运动
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如图1,斜面上的物体受到重力、斜面支持力和摩擦力的作用,其中斜面支持力和摩擦力是由重力引起的被动力,斜面支持力FN=mgcosθ,若物体静止于斜面,则摩擦力f=mgsinθ,若物体沿斜面运动,则摩擦力f=μmgcosθ,显然支持力和摩擦力都正比于重力的大小。
做自由落体运动的物体由于只受重力,其运动规律与质量无关,如a=g,v=gt,h=[SX(]1[]2[SX)]gt2,即物体的加速度与质量无关、速度与质量无关、发生的位移同样与质量无关。
斜面只是被“减缓”了的自由落体运动,所以物体沿斜面的运动与自由落体性质相同。重力会引起斜面支持力和摩擦力对物体的作用,支持力和摩擦力都是重力引起的被动力,皆与重力成正比,“由重力引起物体的加速度与物体的质量无关”仍然适用于物体在斜面上的运动,物体的运动规律同样与质量无关。
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如图2所示,若斜面满足tanθ<μ条件,物块A放在斜面上静止不动。在物块A上再叠放物块B,物块A和B会怎样运动?
对此问题进行测试,很多同学也包括一些老师突然回答这个问题给出的答案是,如果两个物块质量较大就会下滑。这是典型的来自生活体验的一种错觉,这个答案不符合重力作用的物理原理。
在放置B物块前,A处于平衡状态,合力为零。放置B物块后,将A物块与B物块看作一个整体,重力改变多少倍,则支持力与摩擦力随重力正比例地改变多少倍,三力之间的关系没有改变,合力仍然为零,A、B物块作为整体仍处于静止状态。
同理,当tanθ=μ,且物块A恰好沿斜面匀速下滑,在物块A上再叠放物块B,两个物块一起沿斜面匀速下滑,且速度大小保持不变;当tanθ>μ,物块A沿斜面加速下滑,在物块A上再叠放物块B,两个物块一起沿斜面加速下滑,且加速度大小保持不变。
由重力引起的被动力与重力之间存在正比例的内在关系,重力以及由重力引起的被动力之间的关系与质量无关,当质量变化时关系保持不变,物体运动状态保持不变。从被动力视角很容易理解这种关系的物理意义,用该规律解决相关问题既便于学生理解、记忆,又突破了生活体验中的错误前概念。
对上述结果的理解可以延拓到生活实际中,土堆自然形成的摩擦角与质量无关μ=tanθ;土堆自然形成的倾斜角只与土粒的含水量和表面液膜带电性有关,即只与土质有关而与土块的质量无关。
1。2 可自由滑动斜面上物块的运动
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如图3所示,质量为m的物块A置于倾角为θ,质量为M的斜面体上,物体与斜面间的动摩擦因数为μ,而斜面体放在光滑水平面上。
满足tanθ<μ条件时,物块A在斜面上保持静止,而斜面体也保持静止状态。在物块A上再叠放物块B,力的关系并没有改变,A、B物块作为整体仍处于静止状态,而斜面体也保持静止状态。
当tanθ=μ,且物块A相对斜面体匀速下滑,而斜面体沿光滑水平面匀速运动。在物块A上再叠放物块B,力的关系并没有改变,A、B物块作为整体沿斜面体匀速下滑,且相对速度大小保持不变。斜面体沿光滑水平面做匀速运动,但叠放物块B后,由动量守恒可知斜面体的速度比之前的速度大。
当tanθ>μ,物块A相对斜面体加速下滑,在物块A上再叠放物块B,力的关系并没有改变,两个物块一起相对斜面体加速下滑,且相对加速度大小保持不变。斜面体沿光滑水平面做加速运动,但叠放物块B后斜面体的加速度大小比之前的加速度大。
当斜面体沿水平面加速运动时,斜面上的物块受到惯性力(-ma)的作用,惯性力(-ma)其实也是由斜面上物块A的重力引起的被动力,其大小与物块A的重力成正比,所以斜面上物块的受力关系仍与质量无关。