小物和小理的物理對(duì)話錄(73)
——力的分解在生活中的應(yīng)用

劉亞英 孟衛(wèi)東(特級(jí)教師)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛(ài)物理,在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中,小物經(jīng)常向小理提出許多刁鉆而有趣的物理問(wèn)題,了解他們的故事也能讓你的物理達(dá)到新的高度．

1 對(duì)話錄

小物:天氣越來(lái)越冷了,最近我注意到我們學(xué)校的食堂也換上了自吸式門(mén)簾,這樣我們?cè)诔燥埖臅r(shí)候就不會(huì)感覺(jué)冷了．

小理:哈哈,你觀察得還挺仔細(xì)的．那你有沒(méi)有注意到怎樣打開(kāi)這種門(mén)簾最省力呢?

小物:這個(gè)也有竅門(mén)嗎?你不要告訴我這里面也涉及物理知識(shí)吧?

小理:哈哈,當(dāng)然涉及物理知識(shí)了,生活中處處有物理哦!

小物:那你快來(lái)給我講講吧,到底怎樣打開(kāi)最省力?這里面又涉及什么物理知識(shí)呢?

2 小理的解釋

我們首先來(lái)看一道2018年高考天津理綜卷選擇題.

例明朝謝肇淛《五雜組》中記載:“明姑蘇虎丘寺廟傾側(cè),議欲正之,非萬(wàn)緡不可．一游僧見(jiàn)之，曰:無(wú)煩也,我能正之．”游僧每天將木楔從塔身傾斜一側(cè)的磚縫間敲進(jìn)去,經(jīng)月余扶正了塔身．假設(shè)所用的木楔為等腰三角形,木楔的頂角為θ,現(xiàn)在木楔背上加一力F,方向如圖1,木楔兩側(cè)產(chǎn)生推力FN,則( ).

圖1

A. 若F一定,θ大時(shí)FN大

B. 若F一定,θ小時(shí)FN大

C. 若θ一定,F大時(shí)FN大

D. 若θ一定,F小時(shí)FN大

分析木楔背上所加的力F產(chǎn)生兩個(gè)效果,分別向木楔兩側(cè)產(chǎn)生垂直于側(cè)面的推力,推力的大小由F的大小和楔角θ決定.根據(jù)力的分解,畫(huà)平行四邊形,如圖2所示,力F對(duì)木楔側(cè)面產(chǎn)生的推力分別為F1和F2.若θ一定,當(dāng)力F增大為F′時(shí),所對(duì)應(yīng)的推力F3和F4也相應(yīng)增大,選項(xiàng)C正確．若F一定,如圖3所示,θ角所對(duì)應(yīng)的推力分別為F1和F2,當(dāng)楔角變大為θ′時(shí),推力分別為F3和F4,可見(jiàn)推力變小了,因此選項(xiàng)A錯(cuò)誤,選項(xiàng)B正確．所以正確答案為B、C．

圖2 圖3

圖4

由分析過(guò)程可知,楔角θ越小,對(duì)木楔側(cè)面的推力越大．推門(mén)簾的過(guò)程可以類比為用木楔插入門(mén)簾縫隙的過(guò)程,如圖4所示,此時(shí)的木楔其實(shí)就是手,且此時(shí)的楔角幾乎為0,所以只要輕輕一推,就能對(duì)兩側(cè)門(mén)簾產(chǎn)生一個(gè)較大的推力,很輕易就推開(kāi)啦!

生活中類似的應(yīng)用還有很多,比如用刀切肉或者斧頭劈柴,刀刃或斧刃的橫截面是一個(gè)三角形,與木楔類似．以斧頭劈柴為例,如圖5所示,向下的力F產(chǎn)生兩個(gè)效果,分別是垂直于斧側(cè)面的兩個(gè)壓力.由平行四邊形定則,畫(huà)出力的分解示意圖如圖6所示.由上面的分析過(guò)程可知,斧的劈角θ越小,對(duì)兩側(cè)的壓力越大,就越容易劈開(kāi)木柴,所以我們生活中見(jiàn)到的刀刃或斧刃都很薄,也就是θ很小．但任何事情都有兩面性,由作用力與反作用力的關(guān)系可知,斧頭對(duì)木柴的作用力大,木柴對(duì)斧頭的反作用力也大,容易卷刃或卡住拉不出來(lái)．所以說(shuō)并不是θ越小越好,還要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定．生活中我們用的普通刀的刃很薄,適合切肉類、蔬菜等食材,但剁骨刀的刃要相對(duì)厚一些,需要用的力氣大一些，而劈柴用的斧刃和刀背則更厚一些．

圖5 圖6

換個(gè)角度看,由圖3可知,楔角θ越小,可以理解為兩個(gè)分力(F1、F2)之間的夾角越大,當(dāng)合力F一定時(shí),兩分力之間的夾角越大,兩個(gè)分力就越大．所以細(xì)心的同學(xué)一定注意到戶外高壓線是呈下彎弧形的,不是拉得很直．當(dāng)在高壓線上落一物體時(shí),相當(dāng)于給高壓線施加一向下的力,如果線拉得太直,即兩分力之間的夾角很大,一個(gè)很小的向下的力可能就會(huì)使高壓線承受很大的力,易使高壓線損壞．

小物:哇!小理你太厲害了!我最佩服的就是你總能把物理知識(shí)和生活聯(lián)系起來(lái),聽(tīng)你講物理總感覺(jué)那么有趣,一點(diǎn)也不枯燥．

小理:物理本身就是一門(mén)與生活聯(lián)系緊密的學(xué)科,來(lái)自生活又應(yīng)用于生活．我們要善于把知識(shí)和實(shí)際聯(lián)系起來(lái).新課程改革重視從真實(shí)情境中提煉物理問(wèn)題,也是為了促使我們把課本知識(shí)和生活實(shí)際聯(lián)系起來(lái),用物理知識(shí)去解決實(shí)際生活中的問(wèn)題,做到真正的學(xué)以致用．

小物:希望同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)物理的過(guò)程中都能像小理一樣,多聯(lián)系實(shí)際.這樣才會(huì)覺(jué)得學(xué)到的知識(shí)是有用的,學(xué)起來(lái)才更有動(dòng)力．我想這也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的必備品格和關(guān)鍵能力之一吧．