中學物理受力分析的原則與方法初探

郜建輝

摘? ?要：受力分析既是物理知識學習的重點，也是難點。有效理解受力分析的原則，掌握實效的方法，并靈活運用各種方法，應對不同情景，解決物理問題，不僅能幫助學生全面理解力和運動的相互關系，還是提升學生思維能力的有效途徑。

關鍵詞：中學物理;受力分析;隔離法;整體法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）11-0055-6

在中學階段，物理是一門非常重要的學科，它不僅能幫助學生認識物質世界中最普遍、最基本的規(guī)律，還有利于培養(yǎng)學生的邏輯思維和分析能力。同時，物理學科也是學生學習中相對困難的一門學科。尤其是力學中受力分析部分的知識，學生學習困難較多。下面，就筆者多年的教學經(jīng)驗，簡要闡述中學階段受力分析的原則與方法，供大家參考。

1? ? 受力分析的意義

在中學階段的物理學習過程中，受力分析是力學部分學習的重要組成部分，正確地對物體進行受力分析，是解決問題的重要前提。養(yǎng)成好的受力分析習慣，掌握解決問題的方法和思想，是有效提高物理學習能力的關鍵所在[1]。而在實際教學中，很多學生會因受力分析不正確影響到解題，從而影響到物理學習的效果和考試成績，更有甚者，會因此失去物理學習的信心。故此，受力分析可以說是研究力學問題的關鍵;也是學生物理學習必須要掌握的基本功。

2? ? 受力分析的原則

在受力分析的學習之初，很多學生經(jīng)常出問題，而很多老師在講解受力分析時，由于涉及知識點多，又不易講透，會有“夾生飯”的情況發(fā)生[2]。由此，在進行受力分析時，教會學生了解受力分析的幾點原則非常重要。

2.1? ? 依據(jù)力的物質性原則

在人教版初中物理八年級下冊中，對力的闡述是“物體間力的作用是相互的”[3]，我們也可以理解為“力是物體間的相互作用”。也就是說，力是不能離開物體而存在的，有力就會有物體，即施力物體和受力物體。所以，受力分析時，確定一個力是否存在，要看該力是否存在著施力物體，這就是“力的物質性原則”。

在學生的實際學習過程中，經(jīng)常會忽略這一點，常常把物體的慣性現(xiàn)象當作力的作用效果。所以，掌握力的物質性原則很關鍵。例如，豎直上升的物體只受重力作用（空氣阻力不計的情況下），沒有向上的升力或沖力;沿斜面下滑的物體，不存在著所謂的“下滑力”，等等。

2.2? ? 滿足性質力存在條件的原則

在進行受力分析時，準確把握力的性質至關重要，它是判斷一個力是否存在的關鍵。在中學階段的力學知識中，主要是體現(xiàn)在三種性質力上，即重力、彈力和摩擦力。分析重力時，問題主要反映在對重力方向的把握。一定要讓學生清楚重力的方向一定是豎直向下的，即垂直于水平面，而不一定是垂直于接觸面的;確定彈力存在時，一定要滿足產生彈力的條件，即接觸、有形變（包括看不見的微小形變），只接觸而物體沒有發(fā)生形變時，是沒有彈力存在的;確定摩擦力存在時，也要滿足產生摩擦力的條件，即接觸且接觸面不光滑、有壓力并有相對運動或相對運動的趨勢。

例1? 如圖1所示，畫出物體M的受力示意圖。

分析? 靜止的物體M與水平面接觸，重力提供了對水平接觸面的壓力，根據(jù)力相互作用的原理（牛頓第三定律），就會產生一個與重力方向相反、豎直向上的支持力。這樣，物體M在豎直方向上就有彈力;同時，靜止的物體M與豎直面也有接觸，但只是接觸，并沒有發(fā)生形變，也就不會產生彈力。所以，靜止的物體M只在豎直方向上受到重力G和支持力F■這兩個力的作用，受力示意圖如圖2所示。

例2 如圖3所示，滑塊被固定在光滑斜面底端的壓縮彈簧彈出。滑塊離開彈簧后沿斜面向上運動的過程中，不考慮空氣阻力，下圖關于滑塊的受力示意圖正確的是（? ? ）

分析? 仔細審題，可以得出題中的幾個關鍵詞：光滑斜面、離開彈簧、向上運動、不考慮空氣阻力、受力示意圖正確等。根據(jù)力的性質可以理解為：光滑斜面——沒有摩擦力（故D選項錯誤）;離開彈簧和向上運動——是由于滑塊具有慣性的原因，不存在向上的上滑力或沖力（前文提到的力的物質性）;不考慮空氣阻力——是為了簡化問題。依此，該題剩下的A、B、C選項就變成對重力G和支持力F的受力示意圖正確與否的判定。前文提到，對重力方向的判斷是：它一定是豎直向下的，即垂直于水平面，而不一定垂直于接觸面，所以C選項錯誤。對于A、B選項的區(qū)別是F的方向是豎直向上，還是垂直于支持面的“垂直向上”？我們知道，滑塊對于斜面是存在壓力的，這個壓力應該是：大小是重力的一部分、方向是垂直于支持面向下、作用點在接觸面上。故而，根據(jù)力的相互作用原理（牛頓第三定律），支持力應該是：大小是重力的一部分、方向垂直于支持面向上、作用點在滑塊與斜面的接觸面上（可以畫在滑塊的重心上）。所以，B選項是正確的。

2.3? ? 遵守力的不可傳遞原則

我們知道，作用在剛體上的力，可以沿它的作用線平移到該剛體的任意一點，都不會改變這個力對該剛體的作用效果，也就是力的可傳性原理。但經(jīng)典力學認為，對于與光速相比的低速運動物體，它們之間相互作用的傳遞是瞬時完成的，因此力是不可傳遞的?？此苾煞N表述是矛盾的，但從中學物理的視角進行簡單分析，這兩者之間并不矛盾。

力的可傳性原理是指力的作用效果，即一個力作用在物體的不同位置（沿該力的作用線平移到任意位置），該力的效果不變，從這個角度講，力是可以傳遞的（它還在原來的剛體上）;而經(jīng)典力學認為低速運動物體的力不可傳遞是指不同物體間的相互作用，即一個力對某一物體作用時，該物體會受到這個力的作用，而與它相接觸的物體則不會受到這個力的作用（因為力的三要素不同，它們就不是一個力了，但有時會產生傳遞的效果）。這里，我們說的力不可傳遞原則主要指的是后者。

例3? 如圖4所示，畫出A物體在水平方向的受力示意圖。

分析 如圖4，B物體在水平方向上受一個水平向左的力F，在保持靜止的狀態(tài)下，自然會有一個水平向右的力與之平衡，這個力的施力物體理所當然的就應該是A物體。

以A物體作為研究對象進行受力分析可知，由于力的相互作用，A、B物體間存在著相互作用的力，即A物體會受到一個來自B物體、水平向左的力。所以，A物體處于靜止狀態(tài)時，與之平衡的力應該是“墻面”給予A物體水平向右的力，如圖5所示。

在這其中，B物體給A物體的力與A物體給B物體的力是一對作用力與反作用力，大小是相等的;而水平向左的力F與A物體給B物體的作用力則是一對平衡力，大小也是相等的。雖然依此邏輯，B物體給A物體的力大小也是F力的大小，但是它們并不是一個力。也就是說，A物體并不受F力的作用，即F力是不可能傳遞給A物體的，這就是我們要講的“力的不可傳遞原則”。

2.4? ? 關注物體運動狀態(tài)的原則

基于上文所述，在受力分析的過程中，關注物體的運動狀態(tài)有利于得到物體的正確受力情況。

2.5? ? 正確處理合力與分力的原則

我們知道，矢量的合成和分解是學習高中物理知識的重要基礎，這部分知識也體現(xiàn)了化繁為簡的物理思想和數(shù)學方法，對物理學習有重要意義[4]。力同樣也存在著合成與分解的問題，在解決物理問題時，經(jīng)常會對力進行分解，因此受力分析的過程中，一定要正確處理合力與分力的關系，遵循“合力與分力不同時存在”的原則。

例4 如圖6所示，一個滑塊在光滑的斜面上滑下，畫出滑塊下滑過程中的受力示意圖。

分析 我們以滑塊為研究對象，它從光滑斜面下滑的過程中是不受摩擦力作用的，只受豎直向下的重力G和垂直于支撐面向上的支持力F的作用，受力示意圖如圖7所示。

如果要具體研究滑塊下滑過程中力與運動的關系，即分析滑塊下滑的動力，可將重力分解成平行于斜面和垂直于斜面的兩個分力。這樣就很容易知曉，提供滑塊下滑的動力是重力的一個分力，如圖8所示。

但要注意的是，在圖8中將重力分解后，重力G就不能再存在了（虛線所表示的），即“合力與分力不同時存在”的原則。所以，在受力分析時，如果是呈現(xiàn)合力，就不要體現(xiàn)分力;如果標注了分力，就不要呈現(xiàn)合力，一定要正確處理好合力與分力的關系。

2.6? ? 簡化問題的原則

早在兩千多年前，我國第一部教育論著《學記》中就有“約而達，微而藏”的論述。大文學家蘇軾的詩句：“博觀而約取，厚積而薄發(fā)”也表明了這一觀點。我們知道，簡化問題是為了突出問題的主要矛盾，當主要矛盾解決好，次要矛盾上升至主要地位，再行處理，就會不斷深入，徹底解決問題。事同此理，在受力分析的過程中，有時也要遵循簡化問題的原則。例如，對于低速運動的物體，當不做特殊要求時，受力分析中可以忽略空氣阻力;在畫受力分析示意圖時，可以將不同力的作用點都畫在受力物體的重心上，等等。

3? ? 受力分析的方法

對于物體的受力分析而言，特別是在復雜情景中物體的受力分析，由于綜合性強、知識面廣，學生在進行受力分析時往往容易出錯，經(jīng)常出現(xiàn)“丟三落四”的情況。所以，非常有必要教會學生一些如何進行受力分析的方法。

3.1? ? 順序法

順序法是英文中長句翻譯的一種方法，它是按所敘述的一連串動作或事件，按時間的先后或是按內容的邏輯關系安排，依據(jù)原文順序譯出[5]。我們可以借此應用在受力分析中，因為情景中物體的受力情況必然存在著非常嚴謹?shù)倪壿嬯P系，自然就會形成一定的順序邏輯。

在中學階段的力學問題中，受力分析主要對重力、摩擦力、彈力等進行分析。在分析中，我們首先需要考慮重力，因為所有物體都會受到地球引力的作用力;接下來考慮的是彈力和摩擦力，根據(jù)彈力和摩擦力的產生機理，若在彈力分析前分析摩擦力，會導致物體受力分析難度增加，不利于物理知識的學習;最后再分析其他力，這樣就會方便許多。按照這個順序進行受力分析，可以得到科學合理的解題思路，降低物體受力分析的難度[6]。因此，我們可以將順序法概括為一個口訣：一重、二彈、三摩擦、四其他。

順序法的特點是：受力分析時不容易漏掉力，但要注意研究物體的運動狀態(tài)，處理好力和運動的關系。

3.2? ? 隔離法

隔離一詞出自唐代杜牧的《阿房宮賦》——“覆壓三百余里，隔離天日”，經(jīng)常被用于形容斷絕接觸、斷絕往來。在研究物理問題時，隔離法是指對物理問題中的單個物體或單個過程進行分析、研究的方法。在力學的受力分析過程中，我們常把要分析的物體從相關的物體體系中隔離出來，作為研究對象，只分析該研究對象以外的物體對它的作用力，不考慮研究對象對其他物體的作用力。

例5 如圖9所示，A、B、C三木塊豎直疊放在水平桌面上，在B木塊上加一水平向右的大小為6 N的力F，結果三木塊一起向右做勻速直線運動，則B對A的摩擦力fB-A，C對B的摩擦力fC-B及桌面對C的摩擦力f桌-C的大小分別是（? ? ?）

A.0 N? 0 N? 0 N? ? ? B.2 N? 2 N? 2 N

C.0 N? 6 N? 6 N? ? ? D.6 N? 6 N? 6 N

分析 我們以A木塊為研究對象，將其從情景中隔離出來進行分析。由題目的描述（三木塊一起向右做勻速直線運動）可知，A木塊向右做勻速直線運動是處于平衡態(tài)的，如果B對A存在摩擦力fB-A，則在水平方向上就會存在一個與fB-A平衡的力，但又找不到這個力的施力物體（低速運動的物體可以忽略空氣阻力）。所以，B對A不存在摩擦力fB-A，A木塊向右做勻速直線運動是因為慣性。故此，B對A的摩擦力fB-A=0。

再以B木塊為研究對象，將其從情景中隔離出來進行分析。題目已知，在B木塊上有一水平向右的大小為6 N的力F，B木塊也是向右做勻速直線運動。這樣，就必須有一個水平向左、大小也是6 N的力跟它平衡（忽略空氣阻力）。通過對A木塊的分析，顯然這個力的施力物體不是A木塊。由此，與F平衡的力的施力物體就只能是C木塊了，這個力就是C對B的摩擦力fC-B，大小為6 N，方向水平向左。故此，C對B的摩擦力fC-B=6 N。

再以C木塊為研究對象，將其從情景中隔離出來進行分析。通過前面的分析可知，C對B的摩擦力fC-B大小為6 N，方向水平向左。根據(jù)力的相互作用原理（牛頓第三定律），B木塊也會給C木塊一個大小為6 N、方向水平向右的反作用力。由題目已知，C木塊也是向右做勻速直線運動，是處于平衡態(tài)的。自然就要有一個水平向左、大小也是6 N的力跟它平衡（忽略空氣阻力），這個力的施力物體就是桌面。所以，桌面對C木塊的摩擦力f桌-C=6 N。

本題的答案為C選項。

通過上述分析可見，隔離法的優(yōu)點是容易看清單個物體的受力情況或單個過程的運動情形，問題處理起來比較方便、簡單，便于使用，它也是在受力分析時應用比較廣泛的思維方法。但使用隔離法時，一定注意力的物質性原則和力的不可傳遞原則，同時要注意不要把物體的慣性現(xiàn)象當作力的作用效果。

3.3? ? 整體法

整體法主要是指在對處于某種特定狀態(tài)下的物體進行受力分析時，為了保證物體承受的所有力都能夠被分析到，需要在受力分析過程中注重系統(tǒng)的研究，從整體上對物體所受的力進行分析。而不必將其細化， 不用分析系統(tǒng)內部各物體部分和運動狀態(tài)下所受的力[7]。

例6 如圖10所示，A、B、C、D四個相同的木塊夾在豎直放置的兩塊木板之間，處于靜止狀態(tài)，請分析B、C木塊之間的摩擦力大小和方向。（已知每個木塊的重力均為G）

分析? 對于本題，如果我們采用隔離法進行受力分析，會發(fā)現(xiàn)無論對A、B、C、D哪個木塊進行分析，都會出現(xiàn)一些不確定的因素。如果采用整體法，問題就會變得簡單了。

我們把A、B、C、D四個木塊作為一個整體的研究對象來看，對它們處在靜止狀態(tài)進行受力分析，可得到如圖11所示的受力分析示意圖。即左側木板和右側木板與木塊接觸處各有一個大小為2G、方向豎直向上的摩擦力與4G重的4個木塊平衡。由此，可以得出：左側木板與A木塊之間的摩擦力大小為2G，方向豎直向上;右側木板與木塊D之間的摩擦力大小也為2G，方向豎直向上。

接下來，再采用隔離法對A、B、C、D每一個木塊進行受力分析就容易多了，避免了許多不確定因素。

以A木塊為研究對象，很容易得到它受一個豎直向下的自身重力G和一個左側木板給A木塊豎直向上、大小為2G的摩擦力。但A木塊處于靜止狀態(tài)，一定會有一個力與這兩個力平衡。很顯然這個力就是B木塊給A木塊的豎直向下的、大小為G的摩擦力，A木塊的受力示意圖如圖12所示。

同理，以D木塊為研究對象， D木塊的受力示意圖如圖13所示。

以B木塊為研究對象，它受一個豎直向下的自身重力G，B保持靜止的狀態(tài)，自然會有一個豎直向上的力與之平衡，這個力的施力物體理所當然的就應該是A木塊。因為力的作用是相互的，上述A木塊受到B木塊給的豎直向下的、大小為G的摩擦力，自然，B木塊也會受到A木塊給的豎直向上的、大小為G的摩擦力（圖14）。這樣，學生就會很容易明白B木塊與C木塊只是接觸，而沒有力，它們之間的摩擦力為0。

C木塊與B木塊的受力分析類似。

故本題的答案是：木塊B與木塊C之間沒有摩擦力。

3.4? ? 假設法

假設法也是解決物理問題的一種重要的方法，是學生學習物理知識、解答物理問題必須要運用和掌握的一種思維方法。應用假設法引導學生思考和解決一些物理問題，在解題中建模，在建模中強化模型思維，進而可以提升學生中學階段的物理意識和思維能力[8]。

所謂假設法就是當某一變化因素的存在形式限定在某種可能時，假設該因素處于某種情況，并以此為條件進行推理。

例7? 如圖15所示，分析靜止在斜面上的小球是否受到斜面的支持力作用。

分析? 以小球為研究對象，它是否受到斜面給它的支持力往往要依題目的條件而定。但本題中未給出明確的說明。所以，對于小球的受力情況進行分析討論時可以采用假設法。

小球是否受到某個彈力的作用，可以通過它的運動狀態(tài)是否會因這個力發(fā)生改變來判定。假設我們可以“向右輕輕移走斜面”，如果小球不再靜止，而是發(fā)生了運動狀態(tài)的改變，就說明會有斜面給小球的一個支持力;如果小球繼續(xù)靜止，說明斜面沒給小球這個支持力。

假設法的特點是對一些復雜問題、有爭議的情景，便于簡化問題，但要求受力分析時對情景的把握要準確到位。

4? ? 結束語

對物體進行受力分析，往往不只是通過一種方法來完成的，特別是在復雜的情景中，有時是幾種方法的同時運用（如例6）。另一方面，在受力分析時，運用多種方法結合，會互相佐證，更加有效地得到正確結果。同時，受力分析時要對力的概念和性質進行綜合考慮。比如：摩擦力的方向不是阻礙運動方向，而是阻礙相對運動的方向;桿的彈力可以是支持力，也可以是拉力;繩的彈力方向一定是沿著繩收縮的方向;一個接觸面只能有一個彈力或摩擦力，等等。

總之，在進行物體受力分析時，準確理解物體的受力分析原則，正確掌握受力分析的方法，并靈活運用各種方法，應對不同情景，有效解決物理問題，不僅是幫助學生全面理解力和運動的相互關系的有效策略，還是提升學生思維能力的有效途徑。

參考文獻：

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[2]李俊峰.我怎樣講受力分析———理論力學教學札記之一[J].力學與實踐，2003，25（05）：68-69.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書物理八年級下冊[M].北京：人民教育出版社，2014.

[4]胡忠國.中美高中物理教材中關于“力的合成和分解”內容的比較[J].物理教師，2021，42（03）：78-79+82.

[5]王躍華.談英語長句翻譯技巧[J].黑龍江教育學院學報，2015，34（06）：135-136.

[6]吳娟，韋周新.探討高中物理中的物體受力分析問題及教學建議[J].教育界（基礎教育），2019（28）：78-79.

[7]肖慶紅.探究式教學在高中力學教學中的應用研究[D].蘭州：西北師范大學，2014.

[8]王科峰.運用假設法培養(yǎng)學生的思維能力[J].湖南中學物理，2020（10）：43-44+47.

（欄目編輯? ? 羅琬華）