高中物理中的受力分析

【摘 要】物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是由它的受力情況和初始條件共同決定的。要解決高中物理中的動(dòng)力學(xué)問題，就必需清楚研究對(duì)象的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況。正確分析物體的受力情況，是解決力學(xué)乃至整個(gè)高中物理學(xué)問題的前提和關(guān)鍵，也是高中學(xué)生必須掌握的基本功。筆者結(jié)合自己多年的教學(xué)，談?wù)剬?duì)高中物理中對(duì)物體受力分析的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】研究對(duì)象 受力分析 作用力

【中圖分類號(hào)】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-4810（2014）06-0129-02

一 什么叫做物體的受力分析

1.定義

分析其他物體對(duì)研究對(duì)象的作用力的過程叫做受力分析。

2.受力分析的三個(gè)判斷依據(jù)

主要依據(jù)有：（1）從力的概念判斷，尋找對(duì)應(yīng)的施力物體。（2）從力的條件判斷，尋找產(chǎn)生的原因。（3）從力的效果判斷，尋找是否產(chǎn)生形變或改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

二 受力分析的方法

物體受力情況的分析是否正確，直接關(guān)系著能否正確解答高中物理中的力學(xué)問題，正確分析物體的受力情況是解答力學(xué)問題的基礎(chǔ)，分析物體受力的思維方法有以下幾種：

1.整體法

整體法是從局部到全局的思維過程，是系統(tǒng)論中的整體原理在力學(xué)中的應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是：通過整體法分析物理問題，可以弄清系統(tǒng)的整體受力情況，從整體上揭示事物的本質(zhì)和變化規(guī)律，從而避開中間環(huán)節(jié)的繁瑣推算，能夠靈活地解決問題。整體法就是把幾個(gè)相關(guān)聯(lián)的物體看成一個(gè)整體，只分析這一整體之外的物體對(duì)這一整體施加的力，不分析整體內(nèi)物體之間內(nèi)力的分析方法。注意：如果連接體中各部分的加速度相同，并且不涉及到物體之間的相互作用力時(shí)，優(yōu)先考慮選用“整體法”。

例：如圖1所示，質(zhì)量為M的卡車載有質(zhì)量為m的重物在平直的公路上以速率v前行，重物與車廂前壁距離為L?？ㄜ嚲o急制動(dòng)后做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，車輪與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1，重力加速度為g。求若重物與車廂沒有相對(duì)滑動(dòng)，從卡車制動(dòng)開始到完全停止需要多長時(shí)間？此期間重物所受的摩擦力為多大？

受力分析：選擇整體作為研究對(duì)象，受豎直向下的重力、地面的支撐力和摩擦力；根據(jù)平行四邊形定則，合力等于摩擦力；再由牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解。

解：取卡車運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?，?duì)整體有：μ1（M+m）g=（M+m）a。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有：0=v-at。

聯(lián)立可得：a=μ1 g， 。

設(shè)重物與車廂之間的摩擦力大小為f，由牛頓第二定律有f=ma=μ1mg，與v方向相反。

圖1 圖2

2.隔離法

把研究對(duì)象從相關(guān)聯(lián)的其他物體體系中想象地隔離出來，只分析其他物體對(duì)研究對(duì)象所施加的作用力（外力），不分析研究對(duì)象內(nèi)部各部分之間的相互作用力（內(nèi)力），也不分析研究對(duì)象對(duì)其他物體的作用力?！案綦x”是為了更好地體現(xiàn)研究對(duì)象與其他物體之間的聯(lián)系，絕不能認(rèn)為隔離后的研究對(duì)象與其他物體就沒有力的作用了。它的優(yōu)點(diǎn)是：容易看清單個(gè)物體的受力情況，問題處理起來比較方便、簡單、便于理解。

在力學(xué)中，解決動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，往往遇到這樣一類情況：題目中的研究對(duì)象不是單一的一個(gè)物體，而是互相關(guān)聯(lián)的幾個(gè)物體組成的系統(tǒng)。解這一類問題，一般先嘗試用隔離法：即把各個(gè)物體隔離開來，分別作受力分析，再根據(jù)各自的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，求解。但在這類問題中，如果單獨(dú)用隔離法很難求得結(jié)果，解決過程也十分繁雜，甚至用隔離法求解無從著手。這時(shí)，不妨試用整體法：即把整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)作一個(gè)整體作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，再列式求解。

例：（2010山東高考）如圖2所示，質(zhì)量分別為m1、m2的兩個(gè)物體通過輕彈簧連接，在力F的作用下一起沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)（m1在地面，m2在空中），力F與水平方向成θ角。則m1所受支持力N和摩擦力f正確的是（ ）。

A.N=m1g+m2g-Fsinθ B.N=m1g+m2g-Fcosθ

C.f=Fcosθ D.f=Fsinθ

分析：把兩個(gè)物體看做一個(gè)整體，由兩個(gè)物體一起沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)并分析受力知：水平方向f=Fcosθ，C正確，D錯(cuò)誤。設(shè)輕彈簧中彈力為F1，彈簧方向與水平方向的夾角為α，隔離m2并分析受力，由平衡條件知，在豎直方向Fsinθ=m2g+F1sinα；隔離m1并分析受力，由平衡條件知，在豎直方向m1g=N+F1sinα，聯(lián)立解得，N=m1g+m2g-Fsinθ，A正確，B錯(cuò)誤。

整體法和隔離法是高中物理常用的分析方法?？梢韵雀綦x再整體，也可以先整體再部分隔離。這就是整體法與隔離法的綜合應(yīng)用。

其實(shí)，在一般情況下，針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以選擇不同的分析方法，一般可以分為以下三種情況：（1）系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。整體都處于靜止?fàn)顟B(tài)或一起勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者系統(tǒng)內(nèi)一部分處于靜止?fàn)顟B(tài)，另一部分勻速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)整體的平衡條件，就可以確定整體或某一個(gè)物體的受力特點(diǎn)。（2）系統(tǒng)處于不平衡狀態(tài)且無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于系統(tǒng)內(nèi)物體間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即整體內(nèi)每個(gè)物體都具有相同的速度和加速度，這時(shí)整體所受的合力提供整體運(yùn)動(dòng)的加速度。這種情況利用整體法，更容易把握整體的受力情況和整體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。（3）系統(tǒng)內(nèi)的物體部分平衡部分不平衡。這種情況由于系統(tǒng)內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通常用隔離法。若系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)物體一個(gè)處于平衡，另一個(gè)處于不平衡狀態(tài)時(shí)，也可以利用整體法來分析，有時(shí)會(huì)使問題簡化易于理解。

3.程序法

根據(jù)力的產(chǎn)生條件，按照已知力→場(chǎng)力（含重力、電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力）→彈力→摩擦力→其他力的順序逐個(gè)進(jìn)行受力分析的方法叫做程序法。養(yǎng)成程序法分析物體受力的習(xí)慣，可以避免漏力和多力，保證受力分析的正確性。

4.假設(shè)法

根據(jù)力產(chǎn)生條件難于對(duì)某個(gè)力作出準(zhǔn)確判斷時(shí)，根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由它的受力情況和初始條件共同決定的結(jié)論，用假設(shè)法往往能化難為易。對(duì)于彼此接觸的物體，如果不易判斷接觸處有無形變或有無相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，可以假設(shè)移去跟研究對(duì)象接觸的物體。若移去后研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，則被移去物體與研究對(duì)象之間存在彈力或摩擦力；若移去后研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，則被移去物體與研究對(duì)象之間無彈力或摩擦力作用。

例：如圖3所示，截面為三角形的木塊a上放置一鐵塊b，三角形木塊豎直邊靠在豎直且粗糙的豎直面上，現(xiàn)用豎直向上的作用力F，推動(dòng)木塊與鐵塊一起向上勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中鐵塊與木塊始終保持相對(duì)靜止。

解：將a、b看做一個(gè)整體，假設(shè)木塊a與豎直墻面間存在水平彈力，則水平方向上整體不能靜止，與題意矛盾，假設(shè)不成立，木塊與豎直墻面間不存在水平彈力；同理豎直方向沒有摩擦力。

對(duì)于做加速運(yùn)動(dòng)的物體，若難于判斷某一彈力或摩擦力的有無，可以假設(shè)接觸處有彈力N或摩擦力f，并任意假設(shè)它們的方向，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律列方程。若從方程解得N=0或f=0，則表明沒有彈力或摩擦力；若從方程解得N或f的值大于零，則表明彈力或摩擦力的方向與假設(shè)的方向相同；若解得N或f的值小于零，則表明彈力或摩擦力的方向與假設(shè)的方向相反。

三 受力分析的思路和基本步驟

1.靈活選擇、明確研究對(duì)象

分析物體的受力，首先要選準(zhǔn)研究對(duì)象，并把它隔離出來。根據(jù)解題的需要，研究對(duì)象可以是單個(gè)物體（質(zhì)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)、物體），也可以是幾個(gè)物體組成的系統(tǒng)。當(dāng)所研究的問題是涉及多個(gè)物體的系統(tǒng)時(shí)，可以把系統(tǒng)分成若干部分，然后把其中某一部分從其所處的系統(tǒng)中想象地與其他物體隔離開來，作為研究對(duì)象，這種選取研究對(duì)象的方法叫做隔離法。把多個(gè)物體組成的系統(tǒng)視為整體，作為研究對(duì)象，稱為整體法。解答具體問題時(shí)，應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，靈活選取研究對(duì)象，既可以只用隔離法研究某些部分，也可以只用整體法研究整個(gè)系統(tǒng)，還可以交叉應(yīng)用隔離法和整體法，多次選取研究對(duì)象。

2.按照一定的順序進(jìn)行受力分析

順序必須是首先題目中所給的已知力；其次場(chǎng)力（重力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力）；再次接觸力（彈力和摩擦力），環(huán)繞研究對(duì)象一周，看研究對(duì)象與其他物體有幾個(gè)接觸面（點(diǎn)），每個(gè)接觸面對(duì)研究對(duì)象可能有兩個(gè)接觸力，應(yīng)根據(jù)彈力和摩擦力的產(chǎn)生條件逐一分析，接觸力中必須先彈力，后摩擦力（只有在有彈力的接觸面之間才可能有摩擦力）；最后其他力。

3.畫出受力示意圖，并結(jié)合題中所給條件檢驗(yàn)

受力分析中需要注意的事項(xiàng)：（1）只分析根據(jù)性質(zhì)命名的力，如重力、彈力、摩擦力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力、分子力和核力等，不分析根據(jù)效果命名的力，如下滑力、動(dòng)力、阻力和向心力等。（2）只分析研究對(duì)象受到的力，不分析研究對(duì)象對(duì)其他物體所施加的力。如研究物體A的受力時(shí)，只分析“甲對(duì)A”、“乙對(duì)A”、“丙對(duì)A”……的力，不分析“A對(duì)甲”、“A對(duì)乙”、“A對(duì)丙”……的力，也不要把作用在其他物體上的力，錯(cuò)誤地認(rèn)為通過“力的傳遞”而作用在研究對(duì)象上。（3）每分析一個(gè)力，都應(yīng)能找出施力物體。這種方法是防止“多力”的有效措施之一。在分析物體的受力時(shí)，只強(qiáng)調(diào)物體受到的作用力，并不意味著施力物體不存在，找不出施力物體的力是不存在的。（4）分析物體受力時(shí)，還要考慮物體所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。分析物體受力時(shí)，要注意物體所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，物體所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，其受力情況一般也不同。如：放在水平傳送帶上的物體隨傳送帶一起傳動(dòng)時(shí)，若傳送帶加速運(yùn)動(dòng)，物體受到的摩擦力向前；若傳送帶減速運(yùn)動(dòng)，物體受到的摩擦力向后；若傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)，物體不受摩擦力作用。

綜上所述，在分析物體的受力問題時(shí)，能掌握物體的受力分析方法和基本步驟，并靈活運(yùn)用受力分析的方法應(yīng)對(duì)不同的問題是解決高中物理動(dòng)力學(xué)問題的關(guān)鍵。這不僅能在教學(xué)過程中有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生知道物體的多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，增強(qiáng)整體法的思維意識(shí)，也能幫助學(xué)生能夠更加全面地理解力和運(yùn)動(dòng)的相互關(guān)系，是幫助學(xué)生思維能力提升的好方法。

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〔責(zé)任編輯：范可〕