物理基石之受力分析

2021-02-08 星宸物理

受力分析是整個高中物理的基礎,做每一個題目的第一步都是首先選擇研究對象進行正確的受力分析。如果受力分析錯誤,就好像方向錯誤一樣,走的越遠,離目標偏差就越多,可見受力分析是何等重要。

受力分析(forceanalysis),是將研究對象看作一個孤立的物體,並分析它所受各外力特性的方法。常見的外力包括重力、彈力、摩擦力、電場力、磁場力。由於各物體間的作用是相互的,任何一個力學問題都不可能只涉及一個物體,力是不能離開物體而獨立存在的。所以在解題時,應根據題目的要求,畫一簡圖,運用「隔離法」(整體法也是隔離法),進行受力分析。一般是把研究對象看成質點,把所有力都畫在一個點上,高中主要分析共點力的問題,結合力的合成、分解、特別是正交分解,找到合力,然後利用牛頓第二定律或者功能關係進行列方程,找到我們需要求的未知量。要想做好這一步工作,就需要先掌握各個力的產生條件以及方向。下面就跟著董老師一一來認識他們吧。

1.重力

重力一定有,地面附近的物體都要受到地球的吸引,物體由於地球的吸引而受到的力為重力,大小G=mg,方向豎直向下。如果研究的是微觀粒子,可以把物體的重力忽略掉,此時可以不分析重力。

2.彈力

彈力看周圍,看物體與周圍有幾個接觸點,在這些接觸點的地方可能存在彈力,彈力是兩個彼此接觸的物體由於擠壓發生彈性形變而產生的力,條件是接觸、擠壓有彈性形變。彈力的方向是垂直於接觸面指向受力物體,如果的是輕繩,那麼彈力的方向為沿繩指向繩收縮的方向。如果是用鉸鏈連接的輕杆,彈力一定沿杆的方向,可以指向杆的中點,也可相反。如果是固定的杆,彈力的方向就不確定了。可以沿杆,也可和杆成任意夾角。

3.摩擦力

在有彈力的地方去分析摩擦力,分為靜摩擦和滑動摩擦力。產生的條件是接觸面粗糙、有彈力、存在相對運動和相對運動趨勢。摩擦力的方向與「相對運動」或「相對運動趨勢」方向相反,但並不一定與物體的運動方向相反。摩擦力阻礙的是物體的「相對運動」或「相對運動趨勢」,並不是阻礙物體的運動,摩擦力並不都是阻力。好多時候摩擦力都是動力,比如人走路時的靜摩擦力、向高處運送貨物的傳送帶和貨物之間的摩擦力都是動力。滑動摩擦力大小與壓力正比,公式為F=μFN,靜摩擦力一般根據二力平衡來計算,最大靜摩擦力在計算的時候近似看成等於滑動摩擦力,其實最大靜摩擦力一般要略大於滑動摩擦力。

4.電場力和磁場力

電荷在電場中受到的力為電場力,也稱庫侖力,正電荷受力方向與電場方向相同,負電荷受力方向與電場方向相反。計算公式為:F=qE或F=kQq/r2。磁場力分為安培力和洛倫茲力,通電導線在不與磁場平行時受到的力稱為安培力,是洛倫茲力的宏觀表現。運動電荷在磁場中如果運動方向不和磁場平行受到的力為洛倫茲力。大小的計算公式為F安=BIL(期中B和I垂直),F洛=qvB(期中B與v垂直)

【例題1】如圖所示,物體A、B疊放在水平面上,水平力F作用在A上,使二者一起向左做勻速直線運動,下列說法正確的是  (     )

A.A、B之間無摩擦力   

B.A受到的摩擦力水平向右

C.B受到A的摩擦力水平向右

D.地面對B的摩擦力為靜摩擦力,水平向右

解析 對A物體,由於A勻速運動,由二力平衡可知,B對A的摩擦力必與F等大、反向,故A錯誤,B正確;對B物體,由力作用的相互性知,B對A的摩擦力一定與A對B的摩擦力反向,故B受到A的摩擦力水平向左,故C錯誤;對A、B整體分析,由於A和B一起向左勻速運動,則地面對B的摩擦力一定為滑動摩擦力,且水平向右,故D錯誤。

答案 B

【例題2】畫出圖中物體A所受力的示意圖,並寫出力的名稱和施力物體:(1)物體A靜止,接觸面光滑;(2)A沿粗糙斜面上滑;(3)A沿粗糙水平面滑行;(4)接觸面光滑,A靜止。

解析 (1)物體A受重力G、推力F、支持力FN、牆壁對A向左的彈力FN′,施力物體分別是地球、推A的物體、地面、牆壁;(2)物體A受豎直向下的重力G、垂直於斜面向上的支持力FN、沿斜面向下的滑動摩擦力Ff,施力物體分別是地球、斜面、斜面;(3)物體A受重力G、支持力FN、滑動摩擦力Ff,施力物體分別是地球、水平面、水平面;(4)物體A受重力G、拉力FT、彈力FN,施力物體分別是地球、繩子、牆壁。

【例題3】畫出圖(1)~(4)中靜止物體A的受力示意圖(注意:圖中球形物體的接觸面光滑)。

答案:

【牛刀小試】如圖所示,質量為m1的物體甲通過三段輕繩懸掛,三段輕繩的結點為O,輕繩OB水平且B端與站在水平面上的質量為m2的人相連,輕繩OA與豎直方向的夾角θ=37°,物體甲及人均處於靜止狀態(已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。g取10 m/s2。設最大靜摩擦力等於滑動摩擦力)。求:

(1)輕繩OA、OB中的張力分別是多大?

(2)人受到的摩擦力是多大?方向如何?

(3)若人的質量m2=60 kg,人與水平面之間的動摩擦因數為μ=0.3,欲使人在水平面上不滑動,則物體甲的質量m1最大不能超過多少?

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受力分析順序:重力——已知力——彈力——摩擦力——其他力口訣:重力一定有,彈力看周圍,分析摩擦力,不忘其他力。


——END——


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