知识背景
「力」是个看不见摸不着的东西。你无法把一份力装进瓶子,也无法拍下一张力的照片。古人因此争论了两千年:亚里士多德认为「有力才有运动,力停运动止」——推车的手一松,车就停下,这不是明摆着的吗?
真正的突破来自换一个提问方式。伽利略和牛顿不再问「力是什么」,而是问「力做了什么」。答案清晰得多:手压气球,气球扁了;脚踢足球,静止的球飞了出去。力虽看不见,但它的效果看得见。
还有一个更有意思的发现:你划桨时把水向后推,水同时把船向前推;你在西湖游船上用力撑开另一条船,自己的船也会退开。力从来不单独出现,它总是成对地出现在两个物体之间。理解这一点,你就抓住了整个力学的起点。
知识讲解
力的概念与作用效果
力是物体对物体的作用。力不能脱离物体单独存在,一个力必然涉及两个物体:施力物体和受力物体。力的符号是 ,国际单位是牛顿,简称牛,符号 。托起两个鸡蛋的力大约是 。
力的作用效果有两个:
- 使物体发生形变(改变形状)——压弹簧、拉橡皮筋、捏气球。
- 使物体的运动状态发生改变——由静止变运动、由运动变静止、变快、变慢,或改变运动方向。
特别注意:只要速度大小或方向有一个改变了,运动状态就改变了。地铁转弯时速度大小不变但方向变了,运动状态照样改变,所以一定受到了力。
力的作用是相互的
一个物体对另一个物体施力时,同时也受到后者对它的力。这两个力大小相等、方向相反、作用在同一条直线上,但分别作用在两个不同的物体上,这样的一对力叫相互作用力。
例证:穿旱冰鞋的同学推墙,人自己退了出去;游泳时向后划水,人向前进;火箭向下喷气,气体向上推火箭。
力的三要素与力的示意图
力的大小、方向、作用点叫做力的三要素,它们都会影响力的作用效果。三者只要有一个不同,作用效果就可能不同——推门时推把手容易,推靠合页的一侧就很费劲。
画力的示意图的要求:从力的作用点起,沿力的方向画一条线段,末端画箭头,旁边标出符号和大小(如 )。同一图中力越大,线段应画得越长。
弹力与弹簧测力计
物体因发生弹性形变而产生的力叫弹力。压力、支持力、拉力本质上都是弹力。
弹簧的伸长量在弹性限度内,与所受拉力成正比——这是弹簧测力计的工作原理。
- 认清量程:所测力不得超过量程,否则弹簧超过弹性限度,会损坏且无法恢复。
- 认清分度值:读数才能准确,如分度值 时读数只能到小数点后一位。
- 校零:使用前指针要对准零刻度,若未校零需修正读数。
- 方向一致:拉力方向必须与弹簧伸长方向在同一直线上,否则外壳摩擦会使读数偏大。
实验与探究
用弹簧、刻度尺和若干相同的钩码(每个 ),探究弹簧伸长量与所受拉力的关系。
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实验目的:找出弹簧伸长量 与拉力 之间的定量关系。步骤:先竖直悬挂弹簧,量出原长 ;然后逐个挂上钩码,每挂一个都量出此时的长度 ,算出伸长量 ;把数据列表,作出 – 图像。
典型数据:拉力 时伸长 , 时伸长 , 时伸长 , 时伸长 。
结论:在弹性限度内,弹簧的伸长量与所受拉力成正比,图像是一条过原点的直线。
三个易错处:一是必须用伸长量而不是弹簧总长与拉力成正比(总长与拉力是一次函数关系,图像不过原点);二是超过弹性限度后,图像会向下弯曲,正比关系失效;三是钩码要缓慢挂放,待指针稳定后读数。
设计实验证明力的作用是相互的。
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方案一(磁体):把两个小车分别装上相互吸引的磁体,同时松手,两车同时相向运动。说明甲吸引乙的同时,乙也吸引甲。方案二(气球):吹足气的气球压在墙上,气球变扁(受到墙的力),墙也受到气球的压力。方案三(旱冰鞋):两位同学穿旱冰鞋面对面站立,只让甲推乙,结果两人都后退。
结论:无论主动还是被动,只要有力的作用,就一定是两个物体同时互相施力。方案三最有说服力,因为「只有甲用力」这个条件排除了乙也主动发力的可能。
经典例题
小科站在滨江的地面上向上跳起。请指出他跳起时脚对地面的力和地面对脚的力,并说明他能跳起来的原因。若他对地面的压力为 ,画出这两个力的示意图应注意什么?
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第一步:分析施力与受力物体。脚蹬地时,施力物体是脚、受力物体是地面,这个力方向竖直向下;同时地面对脚施力,施力物体是地面、受力物体是脚,方向竖直向上。第二步:判断两力关系,依据「力的作用是相互的」:两力大小相等(都是 )、方向相反、在同一直线上,但作用在不同物体上,是一对相互作用力。第三步:解释跳起原因,依据力能改变运动状态:使小科由静止变为向上运动的力是地面对脚的支持力,而不是他对地面的压力——受力物体必须是他自己。第四步:画图注意点。两个力的作用点分别在地面上和脚上,不能都画在同一个物体上;线段长度应相同,因为大小相等。
答:脚对地面的压力向下、地面对脚的支持力向上,两者是相互作用力;使他跳起的是地面对脚的力。
难点与易错点
- 认为只有一个物体也能产生力:力必有施力物体和受力物体,「凭空产生的力」不存在。
- 认为受力物体的运动方向一定和力的方向相同:刹车时车向前运动,摩擦力向后,方向可以相反。
- 把「运动状态改变」只理解为快慢改变:方向改变也是运动状态改变,转弯的地铁、绕圈的电风扇叶都在改变运动状态。
- 说「物体只受力就一定形变」但看不出来就否认:桌面被书压后确实有极微小形变,只是肉眼看不见。
- 相互作用力与平衡力混淆:相互作用力作用在两个物体上,平衡力作用在同一个物体上,这是最重要的区别。
- 弹簧测力计使用时超量程或不校零:超量程会损坏弹簧,不校零会带来系统误差。
- 误以为弹簧总长与拉力成正比:必须是伸长量才成正比。
生活中的应用
- 西湖游船的桨:桨向后推水,水向前推桨,船因此前进——相互作用力的直接应用。
- 地铁进站的减速:制动装置施加与运动方向相反的力,改变列车的运动状态。
- 亚运会射箭的弓:弓被拉开发生弹性形变,产生弹力,松手时把箭推出去。
- 公交车的握把与拉环:手拉环时拉环也拉手;急刹时你被拉环「拽」住,正是力改变了你的运动状态。
生活应用题 1 · 校门口的弹簧测力计读数
某弹簧测力计的量程为 ,弹簧原长 ,挂上 物体时弹簧长 。求:(1) 弹簧每受 拉力伸长多少厘米;(2) 挂上一个未知物体时弹簧长 ,该物体所受拉力多大?
分步解:
- 求满量程的伸长量,依据 :。
- 求每牛顿对应的伸长量,依据「伸长量与拉力成正比」:,即每 伸长 厘米。
- 求未知物体的伸长量:。
- 求拉力,依据正比关系:。
- 答:每牛顿伸长 1 厘米;未知物体所受拉力为 。注意第 3 步必须减去原长,直接用 去比例是最常见的错法。
生活应用题 2 · 拱宸桥边划船的相互作用
小科和同学各划一条小船在运河上并排靠近。小科用 的力撑同学的船,两船随即分开。问:(1) 同学的船受到多大的力、方向如何?(2) 小科的船是否受力?多大?(3) 若两船质量不同,谁退得更远?
分步解:
- 第一问,依据「力的作用是相互的」:同学的船受到 的推力,方向沿两船连线背离小科。
- 第二问:小科的船同时受到同学船的反作用力,大小同样是 ,方向相反。所以「只有被推的船受力」是错的。
- 第三问:两船受力大小相同,但质量小的船运动状态改变得更明显,退得更远、更快。这说明相同的力作用在不同质量物体上,效果并不相同。
- 答:两船各受 方向相反的力,质量小的那条船退得更远。
考点
- 选择题·高频:判断力的施力物体与受力物体
- 选择题·高频:区分相互作用力与平衡力(作用在一个还是两个物体上)
- 作图题·高频:画力的示意图,标注方向、作用点与大小
- 实验题·高频:探究弹簧伸长量与拉力的关系,图像分析与弹性限度
- 实验题:弹簧测力计的量程、分度值、校零与读数
- 应用题:用「力的作用是相互的」解释划船、喷气、反冲现象
- 选择题:判断运动状态是否改变(含只改变方向的情形)
中考真题
关于力,下列说法正确的是( )A. 只有相互接触的物体之间才有力的作用 B. 一个物体也能产生力 C. 力是物体对物体的作用,一定同时存在施力物体和受力物体 D. 物体受力后运动状态一定改变,形状一定不变
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逐项分析:A 错,磁体之间、带电体之间不接触也有力的作用;B 错,力必涉及两个物体;C 对,这是力的定义;D 错,力的两种效果可以只出现一种,也可以同时出现(如用手压桌子只有形变没有运动,把球压扁又踢出去则两者都有)。答案:C。
小科用一个弹簧测力计做实验,弹簧原长 ,在弹性限度内每增加 拉力伸长 。他把测力计水平放置,一端固定,另一端用 的力沿轴线拉。(1) 此时弹簧长多少?(2) 若他改为沿与轴线斜交的方向拉,读数会偏大还是偏小?
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第一步:求伸长量,依据正比关系:。第二步:求弹簧长度,依据 :。第三步:分析斜拉的影响。斜拉时弹簧会被压向外壳,指针与外壳之间产生额外的摩擦,要达到同样的伸长需要更大的拉力,等价地说,同样的拉力下读数偏大。第四步:结论与改进——使用时应保证拉力沿弹簧轴线方向。
答:弹簧长 ;斜拉会使读数偏大。