正確認(rèn)識(shí)和深刻理解“三種力”

吳細(xì)生

摘 要： 重力、彈力、摩擦力是高中物理力學(xué)研究中的三大力，對(duì)它們的產(chǎn)生原因，作用方向，以及其大小的研究，對(duì)后面力的合成，分解，力的平衡，以及力和運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)都是必不可少的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞： 三種性質(zhì)的力 重力 彈力 摩擦力

一、重力

從概念上講，重力是由于地球的吸引而使物體受到的力，是屬于引力的范疇，但二者并不等同，重力的方向總是豎直向下的，不一定指向地心。重力的大?。篏=mg同一地點(diǎn)，重力G的質(zhì)量m成正比，即G=mg，地面附近g通常取9.8N/kg同一物體不同地點(diǎn)，g值不同，重力G不同。重力隨緯度的增加而增大，隨地面高度的增加而減小，大小的測(cè)量工具是彈簧測(cè)力計(jì)，重力的作用點(diǎn)——重心，它不一定在物體上。

例，身體素質(zhì)和技術(shù)相當(dāng)?shù)奶哌\(yùn)動(dòng)員，在一般情況下越過(guò)相同的高度用“背越式”跳法要比用“跨越式”容易些，你能說(shuō)出其中道理嗎？因?yàn)楫?dāng)是同一個(gè)人的時(shí)候，跳起來(lái)的時(shí)候能量是一樣的，用跨越式，因?yàn)榭邕^(guò)同樣的高度的時(shí)候重心要比背越式高，所以能量是一樣的時(shí)候，背越式會(huì)好。

二、彈力

1.形變

物體形變指物體發(fā)生的物體形狀和體積等變化，從形變能否完全恢復(fù)可分為：（1）彈性形變，例如彈簧的形變；（2）范性形變，如橡皮泥的形變。

從定義方面指發(fā)生彈性形變的物體，由于要恢復(fù)原狀，就會(huì)對(duì)跟它接觸、使它發(fā)生形變的物體產(chǎn)生力的作用，這種力叫做彈力。按照力的作用效果看壓力，支持力，拉力都是彈力。壓力，支持力的方向總是垂直于支持面指向被壓或被支持的物體，繩的拉力方向沿繩的收縮方。

2.彈力產(chǎn)生的條件及有無(wú)彈力的判斷

例：如圖所示，用細(xì)繩懸掛的小球與光滑斜面相接觸，并保持靜止，甲中細(xì)繩傾斜，乙中細(xì)繩呈豎直方向。判斷圖甲、乙中小球是否受到斜面的彈力作用？

總結(jié)：當(dāng)物體的形變情況難以直接作出判斷時(shí)，采用兩種假設(shè)法分析彈力是否存在：一種是假設(shè)彈力不存在（即解除相關(guān)的接觸面），看看在其他條件不變的情況下，物體是否會(huì)改變?cè)鹊倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)；另一種是假設(shè)彈力存在，看看物體是否能保持給定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.彈力的方向

與施力物體產(chǎn)生該彈力的形變的方向相反，或與物體恢復(fù)原狀趨勢(shì)的方向相同。常見(jiàn)的有如下幾種情況：

（1）輕繩的拉力方向：沿繩指向繩收縮的方向。

（2）壓力、支持力的方向：垂直于接觸面指向被壓或被支持的物體。

①點(diǎn)與曲面接觸的壓力或支持力的方向，總垂直于接觸處曲面的切面，指向被壓或被支持的物體，如左圖所示，球面和桿端處，桿的端點(diǎn)所受彈力的示意圖N■。

②線與線之間的壓力、支持力：垂直于兩條直線，或垂直于兩條曲線接觸處的切線如上圖N■所示。

③球與平面接觸的彈力方向，如圖所示，在接觸點(diǎn)與球心連線上而指向受力物體。

④球與球接觸的彈力方向，垂直于過(guò)接觸點(diǎn)的公切面而指向受力物體。

（3）彈簧產(chǎn)生的壓力或拉力的方向：沿彈簧的軸線，指向彈簧恢復(fù)原形的方向。

（4）輕桿既可產(chǎn)生壓力又可產(chǎn)生拉力，且方向不一定沿桿。

4.彈力的大小

彈力的大小跟形變量的大小有關(guān)，形變量越大，彈力也越大。

（1）彈簧的彈力，由胡克定律F=kx，k為勁度系數(shù)，由本身的物理?xiàng)l件（材料、長(zhǎng)度、截面積等）決定，形變量為x，即彈簧形變后的長(zhǎng)度L與原長(zhǎng)L■的差：x=|L-L■|，x不是彈簧的長(zhǎng)度。

（2）一般物體所受彈力的大小，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用平衡條件和牛頓運(yùn)動(dòng)定律計(jì)算。

三、摩擦力

摩擦力有滑動(dòng)摩擦力和靜摩擦力兩種，它們的產(chǎn)生條件和方向判斷是既有聯(lián)系又有區(qū)別。

1.摩擦力的分類(lèi)

靜摩擦力：相互接觸的粗糙物體，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，在接觸面上所受的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力。靜摩擦力是被動(dòng)力，所以靜摩擦力與產(chǎn)生靜摩擦力的外力二力平衡，符合二力平衡條件。

滑動(dòng)摩擦力：相互接觸的粗糙物體，有相對(duì)運(yùn)動(dòng)是受到的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力。

2.摩擦力的產(chǎn)生條件

（1）相互接觸的物體間存在壓力；

（2）接觸面粗糙；

（3）接觸的物體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)摩擦力）或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)（靜摩擦力），這三點(diǎn)缺一不可。

3.靜摩擦方向

沿接觸面的切線方向（即產(chǎn)生條件中的彈力的方向垂直），與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)（或相對(duì)運(yùn)動(dòng)）的方向相反。摩擦力作為動(dòng)力即摩擦力的方向可能和物體的運(yùn)動(dòng)方向相同，摩擦力也可能作為阻力即和物體運(yùn)動(dòng)方向相反。

說(shuō)明：研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)選擇參考系的另一物體不一定是地面，摩擦力阻礙的是物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其方向不一定與物體的運(yùn)動(dòng)（以地面為參考系）方向相反。

4.大小

（1）靜摩擦力大小

①必須明確，靜摩擦力大小不能用滑動(dòng)摩擦定律計(jì)算，只有當(dāng)靜摩擦力達(dá)到最大值時(shí)，其最大值一般可認(rèn)為等于滑動(dòng)摩擦力，即F■=μF■，最大靜摩擦力，即物體將要開(kāi)始相對(duì)滑動(dòng)時(shí)摩擦力的大?。ㄗ畲箪o摩擦力與正壓力成正比）。

②靜摩擦力的大小要根據(jù)物體的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況共同確定，其可能的取值范圍是：0

說(shuō)明：靜摩擦力大小跟物體所受的外力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。在一定條件下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越強(qiáng)，靜摩擦力越大，其大小由平衡條件或牛頓定律求解。

（2）滑動(dòng)摩擦力大小

①在接觸力中，必須先分析彈力，再分析摩擦力。

②只有滑動(dòng)摩擦力才能用公式F=μF■，滑動(dòng)摩擦力與正壓力成正比，其中μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，與接觸面的材料和粗糙程度有關(guān)；F■表示正壓力，不一定等于重力G。

總之，對(duì)物體受力分析過(guò)程中，分析本文中的三種性質(zhì)的力，重力一定存在外，其余的從接觸面上分析。在一個(gè)接觸面上，可能存在兩個(gè)力，一個(gè)是與接觸面垂直的彈力，另一個(gè)是方向與接觸面平行的摩擦力。當(dāng)然，彈力和摩擦力到底有還是沒(méi)有，還要進(jìn)一步通過(guò)它們的產(chǎn)生條件判斷，并不能憑個(gè)人主觀想象。