【浅谈初中物理受力分析的技巧】初中物理受力分析技巧

来源:卫生工作计划 发布时间:2019-10-30 05:02:41 点击:

  【摘 要】从物体平衡、假设法分析弹力、研究对象选取等方面出发,就受力分析中一些可用的技巧做了简单的介绍,以期能帮助学生更好的掌握受力分析,学好力学知识
  【关键词】受力分析;技巧;平衡;研究对象
  力学知识是中学物理重要的学习内容,初中阶段初步接触了重力、弹力、摩擦力等基础知识。如何引导帮助学生做出正确的受力分析,在分析中不出现多力或少力的情况,对于学生的力学学习来说至关重要。下面结合几个力学问题,希望能帮助学生更好的掌握受力分析的技巧。
  一、物体平衡条件的利用
  物体处于平衡状态时(静止或做匀速直线运动),物体所受合力为零,即受力平衡。结合力的合成规律,我们可以得到以下两个结论。
  (一)平衡物体所受合力为零
  如图1所示,天花板下面有一重20N的木块,当有F=25N的力向上作用时,画出木块的受力示意图。
  解析:对于木块的受力情况,由题意可以很容易的知道,木块会受到重力G=20N,方向竖直向下;压力F=25N,方向竖直向上,如图2所示。那么木块还会受到其他力吗?木块与天花板是接触的,天花板会给它支持力吗?
  利用上面的结论进行分析:由于木块是静止的,处于平衡状态,所以其所受合力为零。由前面的分析,我们假设木块不受天花板的支持力,根据力的合成,木块所受合力为F合=F-G=5N≠0,与结论不符合,所以木块将会受到天花板给它的支持力N,大小为5N,方向垂直于接触面竖直向下,从而可以画出木块的受力示意图,如图3所示。
  (二)不在同一直线上两力合力不为零,所以不可能使物体平衡
  如图4所示,小球通过一根绳子固定在天花板上,同时小球静止斜靠在一斜面上,假设不计绳子重力及所有摩擦力时,画出小球的受力示意图。
  解析:对小球进行受力分析,很容易分析出:小球受到重力G,方向竖直向下;受到绳子的拉力T,方向沿着绳子的方向斜向上,如图5所示。那么小球与斜面是接触的,是否会受到斜面给小球的支持力呢?
  利用上面的结论进行分析:由于小球是静止在斜面上的,处于平衡状态。由前面的分析,小球受到的重力G和拉力T不在同一直线上,若小球不受到斜面的支持力,那么两力(重力和拉力)的合力不为零,不可能使小球处于平衡状态。所以,小球会受到斜面给它的支持力N,方向垂直于斜面指向斜上方,如图6所示。
  从上面两个例子可以看到,在对处于平衡状态的物体进行受力分析时,我们可以充分利用物体平衡的条件,即所受合力为零,从而判断出一些比较难于确定的力是否存在,避免出现分析时少力的情况。
  二、弹力的分析
  对初中阶段所接触的弹力来说,从课本知识可以知道,产生弹力的前提条件是两个物体必须相互接触。对于不接触的两个物体,两者之间不会产生弹力的作用。而对于相互接触的物体,是否一定产生弹力呢?答案是否定的,相互接触的两个物体,只有在发生了相互挤压而导致弹性形变的情况下,两者之间才会有弹力的产生。学生在判断时,可以通过以下两种方法进行判断。
  (一)对于处于平衡状态的物体,可以通过利用物体平衡的条件进行判断
  如第一点所述,两个例子中支持力都是弹力的一个体现,可以通过对物体其余力的分析及合成判断出弹力是否存在,在此不再作详细解析。
  (二)利用假设法
  假设去掉与物体接触的支撑物,通过判断物体运动趋势判断弹力的有无及方向。
  如图7、图8所示,小球通过一根绳子固定在天花板上,同时小球静止均与同一斜面接触,假设不计绳子重力及所有摩擦力时,分析小球是否受到斜面的弹力,即支持力。其中图7中绳子角度为斜上方,图8中绳子方向为竖直向上。
  解析:两个情形中,小球均与斜面有接触,那么是否两种情形中,小球都会受到斜面的弹力(支持力)呢?
  利用假设的方法:我们假设将作为支撑物的斜面撤去,考虑图7的情况,不难想象,在斜面撤去后,小球不会保持静止,将会向右运动。所以在撤去斜面之前,斜面会对小球有力的作用,阻止小球向右的运动趋势,这个力就是斜面给小球的弹力,方向垂直于斜面指向斜上方。可以看到,这与前面利用力的平衡条件进行分析得到的结果是一致的。
  利用同样的方法分析图8,可以看到,在斜面撤去以后,小球仍然会保持静止,所以在斜面撤去之前,小球没有运动的趋势,斜面也不会对小球有力的作用,即小球不受到斜面给它的弹力。
  从上面的分析可以看出,在利用假设法探讨弹力是否存在的问题中,首先要明确所需要分析的是研究对象与哪个物体(面)之间的弹力,从而确定撤掉的支撑物(面)。然后考虑撤掉支撑物以后研究对象的运动情况:如果撤去后有运动的发生,则支撑物和研究对象之间存在弹力;如果撤去后研究对象仍然保持静止,则支撑物和研究对象之间不存在弹力。学生可以通过以上两种方法,在受力分析的过程中,能够更准确的判断出弹力的存在。
  三、浮力的分析
  如图9所示,容器中装有液体并放置于水平桌面上,一重为10N的小球,用细线悬挂放入液体中,细线另一端施加有竖直向上的拉力T=6N,小球处于静止状态,容器与液体总重为50N,试求小球所受浮力及容器对水平桌面的压力。
  解析:对于求解小球所受浮力,在进行受力分析时,可以容易的确定小球作为研究对象,通过分析小球的受力情况从而得出结果。结合前面介绍的方法,对小球进行受力分析,可以分析出小球受重力G1=10N,拉力T=6N以及浮力F浮,各力方向如图10所示。根据物体平衡条件,可以得到F浮=G1-T=4N。
  对于求解容器对水平桌面的压力,根据相互作用力的关系,转化为求水平桌面对容器的支持力。这时候我们则选取容器、液体及小球作为一个整体的研究对象,对于这个整体而言,其受力情况如图11所示,受到绳子的拉力T=6N,总的重力G总=60N以及桌面支持力N,由于整体的研究对象也是处于平衡状态的,所以容易得出N=G总-T=54N。
  从上面的解析看到,在分析水平桌面对容器的支持力时,我们选取了容器、液体及小球作为一个整体的研究对象,而不是选取单独的容器或容器、液体的组合作为研究对象。这是因为如果把小球加入整体作为研究对象后,小球与容器、液体之间的作用力就成为了研究系统内部的力,这种内部力对整体外部的受力是不产生作用的,从而简化了系统的受力情况。但同时也要注意,在将小球加入整体作为研究对象后,小球受到的绳子的拉力也会成为整个系统的外部拉力。
  在对较为复杂的系统进行受力分析的时候,研究对象的选取尤为重要。尤其是在讨论整体受力情况时,一般可以选取多个物体作为一个整体进行研究,从而可以将多个物体之间的相互作用力转化为不影响分析的系统内力,达到简化受力分析的目的。
  四、力的性质的运用
  对于初中所接触的重力、弹力、摩擦力等,由于每种力产生原因的不同,各自具有自身的特点,在进行受力分析时,尤其是在判断所受力的方向时,可以充分利用这些力的特点,从而达到准确分析的目的。初中常用的力的性质主要有以下几点:
  (1)物体所受重力方向总是竖直向下,浮力方向总是竖直向上;(2)运动物体所受摩擦力方向与相对运动方向相反,静摩擦力方向与物体相对运动趋势的方向相反;(3)压力、支持力的方向始终和受力物体的接触面垂直;(4)绳子上拉力处处相等,且拉力方向沿着绳子的方向。
  综上所述,在对物理系统进行受力分析时,要根据系统的状态,以及要求的结果,合理的选取研究对象,在分析时充分利用力的性质、平衡条件等知识,分析出每个力的相关要素,不多分析一个力,也不漏掉一个力,做出准确的受力分析,从而解决所遇到的力学问题。
  参考文献
  [1] 万来佳.关于水面升降的讨论[J].物理教师,1994(2).
  [2] 胡海红.从不同角度巧解力学综合题[J].中学物理,2013(4).
  [3] 杨理.浅谈初中物理“受力分析”[J].中学物理,2013(8).

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