遠(yuǎn)處不在的力

張軍

很小的時(shí)候，我們就有了對(duì)力的最初體驗(yàn)。握住筷子夾菜、摔倒在地上、針扎進(jìn)屁股、把手里的東西扔出去……我們的肌肉都能感受到“力”。經(jīng)過小學(xué)、初中階段的持續(xù)學(xué)習(xí)，我們對(duì)“力”的領(lǐng)悟越來越多，也越來越深刻。今天，張老師就和同學(xué)們聊聊有趣的“力”，為大家的學(xué)習(xí)助上“一臂之力”。

力是相互作用

課本上說“力是物體對(duì)物體的作用”，這句話包含了豐富的內(nèi)容。我們可以把“作用”理解為一個(gè)“動(dòng)作”，比如“推”“提”“咬”“撞”等，動(dòng)作的發(fā)出者就是施力物體，動(dòng)作的承受者就是受力物體。不論什么力，一定存在施力物體和受力物體。這個(gè)“動(dòng)作”可以是接觸的，比如壓力、摩擦力，也可以是不接觸的，比如太陽和地球之間的引力、同名磁極之間的斥力等。物體之間不接觸，是通過“場(chǎng)”發(fā)生作用的，如引力場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等。

既然是“物體對(duì)物體”，那就說明力必須發(fā)生在兩個(gè)物體之間，一個(gè)物體無法產(chǎn)生力的作用。

“力”不是一個(gè)物體本身所具有的，必須在“作用”中才能體現(xiàn)，所以不能說“某某物體有某某力”?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》第38頁“能舉例說明磁鐵具有磁力”這句話是錯(cuò)誤的，可以改成“能舉例說明磁鐵具有磁性”。

力的作用是相互的。鐮刀割草的時(shí)候，草同時(shí)也對(duì)刀刃施加力，割草的時(shí)間長(zhǎng)了，刀刃會(huì)變鈍。用手在臉上摩擦、涂化妝品的同時(shí)，臉也在摩擦手。所以，施力物體和受力物體是相對(duì)的。我們?cè)诜治鍪芰Φ臅r(shí)候，一定要根據(jù)那個(gè)“作用”的指向來確定受力物體。在畫力的示意圖或力的圖示時(shí)，作用點(diǎn)總是畫在受力物體上的。比如，行駛的汽車壓路面，這里的作用是“壓”，受力物體就是路面；但如果說路面對(duì)汽車的“支持”，則受力物體就是汽車了（圖1）。牛頓第三定律揭示，兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

人們經(jīng)常利用反作用力來達(dá)到目的。槳?jiǎng)澦畷r(shí)，對(duì)水施加向后的力，水同時(shí)給槳一個(gè)向前的力，最終讓船前進(jìn)。用雞蛋燒湯前，先把蛋在鍋口上磕碰一下，鍋口的反作用力擊破了蛋殼，蛋清和蛋黃就會(huì)流出來。利用吸管和牙簽，我們就可以做一個(gè)演示反作用力的“馬達(dá)”。給一支粗吸管的兩端加熱，在熔化過程中用鉗子將管口捏在一起，使其封閉。在吸管中點(diǎn)位置開個(gè)洞，穿透吸管兩側(cè)。將一支稍細(xì)的吸管一段封閉，開口端從粗吸管中部的洞中穿過。在粗吸管的兩個(gè)封閉端尖角處各剪一個(gè)小洞，兩個(gè)小洞的位置要在不同側(cè)。在細(xì)吸管與粗吸管的交叉位置也開一個(gè)穿過兩側(cè)的洞（圖2）。從細(xì)吸管開口端向內(nèi)吹氣，氣流就會(huì)從粗吸管的兩頭小洞中噴射出來，且方向相反，粗吸管就會(huì)飛快地旋轉(zhuǎn)起來（圖3）。為了防止粗吸管移位，可以在細(xì)吸管上纏繞橡皮筋來限位。

同樣，我們也可以利用橡皮筋、螺旋槳、飲料瓶等，來做一個(gè)橡皮筋動(dòng)力小車。用支架將螺旋槳、橡皮筋固定到飲料瓶制作的車身上，先將螺旋槳繞軸旋轉(zhuǎn)若干圈，直到橡皮筋出現(xiàn)多個(gè)超螺旋結(jié)構(gòu)，再放開螺旋槳。這時(shí)，橡皮筋的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為螺旋槳的動(dòng)能，旋轉(zhuǎn)的螺旋槳推動(dòng)空氣，空氣反過來推動(dòng)螺旋槳，小車就跑起來了（圖4）。

利用這個(gè)原理，我們也可以用飲料瓶、橡皮筋、冰棒棍、小竹簽，動(dòng)手制作一個(gè)使用橡皮筋帶動(dòng)槳轉(zhuǎn)動(dòng)的玩具小船（圖5）。

4種基本相互作用

對(duì)力的分類通常有兩種方式：一是按性質(zhì)來分，二是按效果來分。

從性質(zhì)來看，自然界基本的相互作用分4種：強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用、引力相互作用（我們通常說的萬有引力）。從雞蛋摔破到恒星爆炸，都是這幾種力在起作用。

小學(xué)時(shí)我們就知道，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。但是大家有沒有這樣的疑惑，原子核里的質(zhì)子都帶正電，它們應(yīng)該相互排斥啊，怎么會(huì)“團(tuán)結(jié)”在一起呢，而且還和中子緊密“相擁”（圖6）？

其實(shí)，把它們拴在一起的“紅繩”就是強(qiáng)相互作用。強(qiáng)相互作用在4種基本作用力中是最強(qiáng)的，但也是作用距離最短的，只在原子核直徑范圍內(nèi)起作用，就像專為原子核“量身定做”的。而同種電荷相互排斥屬于電磁相互作用，所以我們也看到電磁相互作用弱于強(qiáng)相互作用。

除了我們熟知的“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”“同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引”，彈力、摩擦力、分子間作用力也屬于電磁相互作用。電磁力對(duì)生命體的構(gòu)造也起著至關(guān)重要的作用。我們舉重鍛煉時(shí)，就是肌肉中的電磁力在與地球引力產(chǎn)生的重力抗衡。

弱相互作用的范圍也很短，只發(fā)生在比原子核更深層的微觀世界中，主要存在于衰變過程，初中就不研究了。

引力是4種基本相互作用中最弱的，它的大小與兩個(gè)物體質(zhì)量的乘積成正比，與距離的平方成反比。當(dāng)物體質(zhì)量比較小的時(shí)候，它們之間的引力可以忽略。我們就從來沒有感受到身邊的同學(xué)、路邊的高樓、路過的寵物狗對(duì)我們的引力。但是，如果物體質(zhì)量很大，比如太陽和地球，它們之間的吸引力就很大了，可以將一根直徑為9000米的鋼柱拉斷。正是如此之大的引力，才能將地球束縛住，沿橢圓軌道繞著太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，而不能隨意離開（圖7）。

同樣，月球繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)也是引力的杰作。引力和電磁力同屬于“長(zhǎng)程力”，作用范圍無限遠(yuǎn)。在原子內(nèi)部，粒子間的引力很小，可以忽略不計(jì)；但是在天體運(yùn)行等宇宙宏觀尺度內(nèi)，引力常常起著決定作用。我們能夠預(yù)測(cè)何時(shí)發(fā)生日食、月食，或者根據(jù)古籍記載的日食、月食現(xiàn)象判斷當(dāng)時(shí)的確切日期，很大程度上得益于對(duì)萬有引力定律的掌握。

木星質(zhì)量是地球的300多倍，擁有16顆衛(wèi)星。木星強(qiáng)大的引力，導(dǎo)致離得最近的“木衛(wèi)一”火山爆發(fā)不斷。沖向太陽的彗星路過木星的軌道時(shí)，也常因被吸引而改變方向。僅1994年，就有21顆彗星與木星接連相撞。如果這樣的撞擊發(fā)生在地球上，哪怕只有一次，都可能讓生態(tài)鏈斷裂。但是地球因質(zhì)量小，一般就不容易“招惹是非”，而且月球有時(shí)會(huì)“代為受過”，倒是安全多了。

月球和太陽對(duì)地球海水的引力，還導(dǎo)致了潮汐現(xiàn)象。潮汐現(xiàn)象中，月球作了主要貢獻(xiàn)。正對(duì)月球的海水距離月球近，受到的引力大，從而向外運(yùn)動(dòng)（漲潮）；背對(duì)月球的海水受引力小，離心力大，也會(huì)向外運(yùn)動(dòng)（圖8）。夏歷以月相變化為依據(jù)，可以在一定程度上反映出潮汐情況，因此可以作為海事活動(dòng)的指南。

潮汐導(dǎo)致海水與地表不停產(chǎn)生摩擦，消耗著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的能量，日積月累，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)變慢。研究表明，40億年前，地球的自轉(zhuǎn)周期是10小時(shí)。也就是說，當(dāng)時(shí)的一天時(shí)間是10小時(shí)。自轉(zhuǎn)變慢對(duì)生命的誕生、演化、繁衍是有重大意義的，太快的自轉(zhuǎn)會(huì)讓地震、狂風(fēng)、火山爆發(fā)等惡劣狀況增多。隨著地球轉(zhuǎn)速減慢，月球也逐漸遠(yuǎn)離地球。目前，月球到地球的距離恰到好處，我們目視的月球表面直徑剛好與太陽表面直徑相同，日環(huán)食可以讓我們直觀地感受到這一點(diǎn)。

4種基本作用從強(qiáng)到弱的排序是強(qiáng)力、電磁力、弱力、引力?？茖W(xué)家在思考，有沒有一種模型能將4種力統(tǒng)一起來呢？這就是所謂的“統(tǒng)一場(chǎng)理論”或者“大統(tǒng)一理論”。百年來，愛因斯坦、海森堡、德布羅意等眾多科學(xué)家為此付出了大量努力。20世紀(jì)60年代，格拉肖、溫柏格、薩拉姆提出了將弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一起來的弱電統(tǒng)一理論，并預(yù)言了幾種新的粒子，因此榮獲1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1983年，理論中預(yù)言的粒子被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。近幾十年，又出現(xiàn)了弦理論和膜理論，到高中時(shí)我們會(huì)簡(jiǎn)單觸及。

現(xiàn)在大家清楚了，初中講的“重力”“彈力”“摩擦力”，是根據(jù)性質(zhì)來分的。“重力”是由于引力產(chǎn)生的，而“彈力”“摩擦力”屬于電磁相互作用，因?yàn)樾巫?、摩擦均涉及分子與原子間的作用力。

那么，我們說的“拉力”“向心力”“回復(fù)力”又是咋回事呢？這是另一種分類方法，依據(jù)的是力的效果。不管這個(gè)力是如何產(chǎn)生的，只看它起到什么作用。促進(jìn)特定方向運(yùn)動(dòng)的力就叫“動(dòng)力”，至于是地球吸引的還是磁鐵排斥的，都無關(guān)緊要。能讓物體繞著某點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)的力就叫“向心力”，盡管“指向圓心做圓周運(yùn)動(dòng)”可能是幾個(gè)性質(zhì)不同的力共同作用的結(jié)果。所以，“壓力”“支持力”“繩子的拉力”都是按照效果來命名的，從性質(zhì)角度看，這3個(gè)力都是“彈力”。

（責(zé)任編輯：白玉磊）