例談物體受力分析教學(xué)

張昱罡

[例]在空間有水平方向、彼此垂直正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)分別為E和B，有一足夠長(zhǎng)的直桿豎直放置電、磁場(chǎng)中，有一帶電小球穿過直桿上，小球可在直桿上上下滑動(dòng)。若小球質(zhì)量為m，帶電量為q，小球與桿的動(dòng)摩擦因素為u，當(dāng)小球從靜止開始釋放后，則在什么情況下小球有最大速度？最大速度是多少？什么情況下有最大加速度？最大加速度是多少？

[分析]以小球?yàn)檠芯繉?duì)象，小球剛開始釋放時(shí)速度V=0不受磁場(chǎng)力作用，受到的非接觸力只有重力，電場(chǎng)力F電；受到的接觸力有支持力N和摩擦力f摩。小球開始下滑后，速度由0開始不斷增加，從而導(dǎo)致洛倫茲力從0開始不斷增大，小球?qū)U的壓力、小球受到的摩擦力逐漸減小，其合力、產(chǎn)生的加速度逐漸增大。當(dāng)f洛增大到f洛=F電即V=E/B時(shí)，小球?qū)U的壓力N=0，摩擦力f摩減小為0，加速度達(dá)到最大am=g。小球從加速度g開始繼續(xù)加速下滑時(shí)，f洛從等于F電開始繼續(xù)增大，小球又受到與原方向相反的支持力作用，且不斷增大，摩擦力也隨之從零開始不斷增加，加速度就不斷減小，當(dāng)f摩增大到等于G時(shí)，a=0

從此題的分析求解看，進(jìn)行正確的受力分析應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

一、分析力要全面，不臆加、不遺漏

物體的受力可以兩方面考慮，一方面為非接觸力，如，重力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力等；另一方面考慮研究對(duì)象所處的環(huán)境有哪些物體與之接觸，由此找到摩擦力、彈力等接觸力，按先非接觸力，后接觸力的順序分析受力，可防止“漏力”。力是物體與物體的相互作用，沒考慮一個(gè)力時(shí)，最好自問一下，它是哪個(gè)物體對(duì)研究對(duì)象的作用，這可防止“添力”。

二、結(jié)合物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析

物體的初始狀態(tài)和受力情況決定物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，常用物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)去分析物體的受力情況。上例中因物體在水平方向上加速度為零，得出此方向上合力為零，從而確定支持力的大小等于電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的合力，方向與電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力的合力方向相反。

三、特別注意被動(dòng)力

沒有固定的大小和方向，其大小和方向由其他力和物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定的力稱為被動(dòng)力。如，彈力、摩擦力等，因被動(dòng)力的不確定性，分析被動(dòng)力時(shí)尤其要注意以下幾點(diǎn)。

1.要注意被動(dòng)力存在的條件

摩擦力存在的條件是：（1）物體間要接觸，且接觸面不光滑；（2）接觸面間有相互的彈力作用；（3）有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。洛倫茲力存在的條件是：（1）電荷在磁場(chǎng)中要運(yùn)動(dòng)；（2）電荷運(yùn)動(dòng)的方向不能與磁場(chǎng)方向平行。

所以上例中小球開始下落時(shí)V=0，小球不受洛倫茲力作用。小球下落到f洛=F電時(shí)，桿與球間無彈力，因而無摩擦力存在。

2.要注意決定被動(dòng)力大小和方向的因素

若將上例中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向反向，則小球受到的洛倫茲力方向與電場(chǎng)力方向相同，受到的洛倫茲力的大小隨速度的增大而增大，小球在運(yùn)動(dòng)過程中，先是摩擦力不斷增大，小球加速度不斷減小，當(dāng)f摩=G時(shí)，小球就做勻速運(yùn)動(dòng)。受力分析是分析、求解力學(xué)問題的基礎(chǔ)，在整個(gè)高中物理教學(xué)中占有極其重要的地位，我們應(yīng)特別注意分析和總結(jié)。

編輯 王團(tuán)蘭endprint