作用力

核心概念


平衡力是作用在同一物体上,能使物体处于平衡状态(即静止状态或匀速直线运动状态)的两个力。例如,静止在水平桌面上的物体,受到竖直向下的重力和桌面竖直向上的支持力,这两个力共同作用于该物体,使其保持静止,它们就是一对平衡力。相互作用力则是物体间相互作用产生的,分别作用在两个物体上的一对力。比如人推墙时,人对墙施加一个推力,同时墙会给人一个大小相等、方向相反的反作用力,这两个力分别作用在人和墙上,属于相互作用力。

理解要点


平衡力需满足四个条件:等大、反向、共线、同体。以悬挂在天花板上的吊灯为例,吊灯受到的重力和绳子对它的拉力,大小相等,方向相反,都作用在吊灯这同一物体上,且在同一条直线上,所以是平衡力。相互作用力大小相等、方向相反、作用在同一直线,但作用于不同物体,并且力的性质相同,会同时产生、同时消失。例如两个磁铁相互吸引,它们之间的磁力就是相互作用力,性质都是磁力,且一个磁铁对另一个磁铁施力的同时,也会受到对方的力,当二者分开,力同时消失。可通过制作对比表格,将平衡力和相互作用力的特点、条件、实例等详细列出,强化记忆;结合更多生活中常见的物体受力情景,如汽车匀速行驶时的受力、静止在斜坡上的物体的受力等,加深对这两个概念的理解。

解题技巧


判断两个力是平衡力还是相互作用力时,首先要确定力的作用对象。如果力作用于同一物体,接着分析这两个力是否满足等大、反向、共线的条件,若满足,则为平衡力;若力作用于两个物体,就考虑这两个力是否大小相等、方向相反、作用在同一直线,若符合这些条件,就是相互作用力。例如,判断水平地面上两个相互接触的物体之间的力,先看力是作用在一个物体上还是两个物体上,再进行后续分析。

常见误区


学生容易混淆平衡力和相互作用力,往往忽略作用对象的差异,错误地认为只要两个力大小相等、方向相反就是平衡力,而不考虑是否作用在同一物体上;还可能错误地认为平衡力的性质一定相同,实际上平衡力的性质可以不同,如重力和支持力。

针对性练习


  1. 分析放在水平传送带上随传送带一起匀速运动的物体的受力情况,判断其中的平衡力和相互作用力。
  2. 探讨人站在电梯里,电梯匀速上升时,人所受的力中哪些是平衡力,哪些力之间存在相互作用关系。

二、三种摩擦力

核心概念


三种摩擦力分别为滑动摩擦力、静摩擦力、滚动摩擦力。滑动摩擦力产生于物体相对滑动时,比如在水平桌面上推动木块,木块与桌面之间就存在滑动摩擦力;静摩擦力存在于有相对运动趋势但相对静止的物体间,像静止在斜坡上的物体,有向下滑动的趋势,但因静摩擦力的作用保持静止;滚动摩擦力在物体滚动时出现,例如车轮在地面上滚动,车轮与地面之间存在滚动摩擦力。

理解要点


明确三种摩擦力的产生条件、方向特点及大小影响因素。通过实验探究可知,滑动摩擦力的大小与压力大小和接触面粗糙程度有关,压力越大、接触面越粗糙,滑动摩擦力越大,其方向与物体相对滑动的方向相反;静摩擦力的大小会随着使物体产生相对运动趋势的外力变化而变化,方向与相对运动趋势方向相反;滚动摩擦力相较于滑动摩擦力较小,其大小与压力、接触面材料等因素有关。可通过设计实验,改变压力、接触面粗糙程度等条件,观察滑动摩擦力的变化;分析静摩擦力在生活中的各种应用场景,如人走路时脚与地面的静摩擦力,理解静摩擦力大小的可变性;对比相同条件下物体滑动和滚动时的难易程度,体会滚动摩擦力较小的特点。

解题技巧


分析物体的运动状态和相对运动情况,以此判断摩擦力类型。若物体相对另一物体滑动,就是滑动摩擦力;若物体有相对运动趋势但未滑动,是静摩擦力;若物体在滚动,则为滚动摩擦力。利用实验得出的滑动摩擦力与压力、接触面粗糙程度的关系公式($f = \mu N$,其中$f$为滑动摩擦力,$\mu$为动摩擦因数,$N$为压力),分析摩擦力大小的变化。对于静摩擦力,需根据物体的受力平衡状态来确定其大小和方向。

常见误区


部分学生误认为滑动摩擦力与速度有关,实际上在压力和接触面粗糙程度不变时,滑动摩擦力大小不变;容易混淆静摩擦力方向和物体实际运动方向,静摩擦力方向是与相对运动趋势方向相反,而非与物体实际运动方向相反;对滚动摩擦力的应用场景认识不足,不清楚在哪些情况下滚动摩擦力起主要作用。

针对性练习


  1. 分析在加速上升的电梯中,放在电梯地板上的物体所受摩擦力的类型、方向和大小变化情况。
  2. 研究自行车在行驶过程中,车轮与地面之间的摩擦力(包括启动、匀速行驶、刹车时),判断摩擦力类型并分析其作用。

三、重叠问题

核心概念


重叠问题是指多个物体相互重叠放置,在受力或处于不同运动状态下,分析每个物体的受力情况。例如,将两个木块叠放在一起,对下面的木块施加一个水平拉力,使它们一起在水平面上运动,此时需要分析两个木块各自的受力情况。

理解要点


掌握隔离法与整体法的应用。整体法主要用于分析整体的受力和运动趋势,把多个重叠物体看作一个整体,分析整体受到的外力,如重力、支持力、拉力等,根据牛顿第二定律($F = ma$,其中$F$为合外力,$m$为整体质量,$a$为整体加速度)确定整体的运动状态;隔离法是对单个物体进行细致受力分析,将物体从整体中隔离出来,考虑它受到的所有力,包括重力、其他物体对它的作用力等,结合二力平衡等知识求解未知力。在分析过程中,要注意力的传递和相互作用,例如上面物体对下面物体有压力,下面物体对上面物体有支持力,它们是一对相互作用力。

解题技巧


先运用整体法分析,确定整体所受外力与整体运动状态的关系,计算出整体的加速度等物理量;再采用隔离法,对每个物体分别进行受力分析,明确物体间的内力,如摩擦力、压力等。在隔离分析时,要按照重力、弹力、摩擦力的顺序进行受力分析,避免遗漏力的作用;整体分析时,要充分考虑物体间的相对运动趋势,判断整体是否处于平衡状态或有特定的加速度。

常见误区


在隔离分析物体时,容易遗漏其他物体对该物体的力的作用,如忽略摩擦力或压力;整体分析时,可能忽略物体间的相对运动趋势,错误判断整体的受力情况和运动状态。

针对性练习


  1. 有三个木块依次重叠放置在水平桌面上,对最下面的木块施加一个水平力,使三个木块一起做加速运动,求每个木块所受的摩擦力大小和方向。
  2. 两个质量不同的木块叠放在斜面上,分析它们在静止和匀速下滑两种状态下的受力情况。

四、从一物体上切断后放在另一物体上问题

核心概念


该问题主要研究物体切断后,其质量、重力会发生变化,以及将切断部分放置在另一物体上时,对相关物理量(如压力、压强等)产生的影响。例如,将一个长方体木块切去一部分后,放在另一个物体上,需要分析切去前后木块的质量、重力变化,以及放置后对另一物体的压力和压强变化。

理解要点


清楚质量、重力、压力、压强的计算公式及相互关系。质量是物体所含物质的多少,不随物体的位置、状态等因素改变;重力与质量成正比,公式为$G = mg$(其中$G$为重力,$m$为质量,$g$为重力加速度);压力是垂直作用在物体表面的力,在水平面上,物体对支持面的压力大小等于物体的重力;压强表示压力的作用效果,公式为$p = \frac{F}{S}$(其中$p$为压强,$F$为压力,$S$为受力面积)。根据物体切断和放置的变化情况,逐步分析各物理量的变化,注意物体形状变化可能导致受力面积改变,进而影响压强大小。

解题技巧


分步骤进行计算。首先求出切断部分的质量、重力等相关量;接着分析剩余部分的质量、重力;然后考虑将切断部分放置在另一物体上后,对该物体产生的压力变化,根据压力和新的受力面积,结合压强公式进行推导计算。在计算过程中,要准确确定受力面积,注意区分不同情况下压力与重力的关系,如物体放在斜面上时,压力不等于重力。

常见误区


容易混淆压力和重力概念,错误地认为压力始终等于重力;在计算压强时,不能正确确定受力面积,忽略物体形状变化对受力面积的影响;对物体切断和放置过程中各物理量的变化分析不全面,导致计算错误。

针对性练习


  1. 一个正方体铁块,切掉一部分后,将切掉部分放在水平桌面上的另一个长方体木块上,计算铁块剩余部分的重力、铁块对木块的压力和压强。
  2. 把一个不规则形状的物体切下一块,放在斜面上的一个容器中,分析物体切前切后质量、重力变化,以及物体对容器的压力和压强变化情况。

五、实验探究二力平衡条件

核心概念


通过实验探究使物体处于平衡状态的两个力需要满足的条件,即力的大小、方向、作用点及作用对象对物体平衡状态的影响。例如,通过改变两个力的大小、方向,观察物体是否能保持静止或匀速直线运动,从而得出二力平衡的条件。

理解要点


牢记实验步骤和目的,实验通常采用在水平桌面上放置小车,通过两侧悬挂砝码或使用弹簧测力计施加拉力的方式进行。明确如何通过改变力的大小(增减砝码数量或调节弹簧测力计示数)、方向(改变拉力方向)、作用点(改变拉力作用在小车上的位置)及作用对象(将两个力分别作用在不同物体上进行对比)来探究二力平衡条件。理解实验误差产生的原因,如滑轮的摩擦、弹簧测力计的精度问题等,以及减小误差的方法,如选择更光滑的滑轮、多次测量取平均值等。

解题技巧


依据实验原理,分析类似实验装置和数据。判断实验设计是否合理时,要看是否能够有效地控制变量,准确地测量和观察相关物理量。通过分析实验现象,如物体在什么情况下保持静止,在什么情况下开始运动,得出二力平衡的条件。对于实验数据,要进行合理的分析和处理,排除误差的干扰,总结出规律。

常见误区


实验操作不规范会严重影响结果,如滑轮安装不水平、弹簧测力计未调零等;对实验结论理解不透彻,不能将二力平衡条件正确应用于实际问题,例如在分析复杂物体受力时,忽略了某些力的作用。

针对性练习


  1. 设计一个改进的实验方案,更精确地探究二力平衡条件,减少实验误差。
  2. 分析一组不同实验数据,判断这些数据是否符合二力平衡条件,并解释数据出现差异的原因。

六、二力平衡条件

核心概念


作用在同一物体上的两个力,当它们大小相等、方向相反、作用在同一直线时,物体处于平衡状态,即保持静止或匀速直线运动。例如,在水平路面上匀速行驶的汽车,受到的牵引力和阻力,以及重力和支持力,都分别满足二力平衡条件。

理解要点


用 “等大、反向、共线、同体” 口诀帮助记忆二力平衡条件。结合生活中大量静止或匀速直线运动物体的受力分析,如静止在水平地面上的桌子、在空中匀速飞行的飞机等,加深对二力平衡条件的理解。通过分析这些实际例子,明确每个力的大小、方向和作用点,以及它们之间的关系。

解题技巧


判断物体受力是否满足二力平衡条件时,先确定力的作用对象是否为同一物体,再分别分析力的大小、方向和作用线。利用平衡条件求解未知力的大小和方向,当物体处于平衡状态时,已知一个力的大小和方向,可根据二力平衡条件求出另一个力。例如,已知物体受到一个水平向右的拉力,且物体匀速直线运动,可根据二力平衡求出水平向左的阻力大小。

常见误区


容易忽略 “同体” 条件,将作用在不同物体上的力误认为是平衡力;对物体运动状态变化时力的平衡关系判断错误,比如物体加速运动时,错误地认为拉力和阻力仍然平衡。

针对性练习


  1. 分析竖直向上抛出的物体在上升和下落过程中的受力情况,判断在哪些阶段物体可能处于二力平衡状态,并计算相关力的大小。
  2. 研究在斜面上匀速下滑的物体的受力,判断是否满足二力平衡条件,若不满足,分析各力之间的关系。

七、速度与摩擦力

核心概念


明确滑动摩擦力大小只与压力和接触面粗糙程度有关,与物体运动速度无关。无论物体是缓慢滑动还是快速滑动,只要压力和接触面粗糙程度不变,滑动摩擦力大小就保持不变。

理解要点


通过实验数据和公式推导来深入理解速度与摩擦力的关系。在实验中,控制压力和接触面粗糙程度相同,改变物体运动速度,测量滑动摩擦力大小,会发现摩擦力数值基本不变。从公式$f = \mu N$(其中$f$为滑动摩擦力,$\mu$为动摩擦因数,与接触面粗糙程度有关,$N$为压力)也可以看出,滑动摩擦力大小与速度无关。对于一些易混现象,如加速拉动时感觉费力,这是因为加速需要更大的合力,而不是摩擦力增大,要辨析清楚拉力和摩擦力的关系。

解题技巧


在分析摩擦力问题时,始终专注于压力和接触面的情况。先确定压力大小和接触面粗糙程度是否发生变化,再根据相关知识判断摩擦力大小。不要受到速度变化的干扰,避免错误地认为速度越大摩擦力越大。例如,在计算物体在水平面上滑动时的摩擦力,只要知道压力和动摩擦因数,就可根据公式计算,无需考虑物体的滑动速度。

常见误区


错误地认为速度越大摩擦力越大,这是由于对摩擦力的影响因素理解不深刻;混淆拉力和摩擦力的关系,将加速运动时拉力增大误认为是摩擦力增大导致的。

针对性练习


  1. 一个物体在水平地面上以不同速度匀速滑动,计算在这些情况下物体所受的滑动摩擦力大小,并解释摩擦力大小相同的原因。
  2. 分析汽车在刹车过程中,速度逐渐减小,此时轮胎与地面之间的摩擦力大小是否变化,说明理由。

八、压力与压强

核心概念


压力是垂直作用在物体表面的力,其方向垂直于物体表面;压强表示压力的作用效果,公式为$p = \frac{F}{S}$,其中$p$为压强,$F$为压力,$S$为受力面积。例如,人站在地面上,人对地面的力就是压力,而压强则反映了人对地面压力的作用效果,受力面积不同,压强也会不同。

理解要点


理解压强公式的推导过程,从压力的作用效果出发,通过比较相同压力在不同受力面积下的作用效果,引入压强概念。掌握增大和减小压强的方法,增大压强可以通过增大压力或减小受力面积实现,如刀越磨越锋利就是通过减小受力面积增大压强;减小压强可以通过减小压力或增大受力面积,如书包带做的很宽是为了增大受力面积减小压强。结合生活中大量实例,如啄木鸟的嘴很尖、铁轨铺在枕木上等,分析压力和压强的变化。

解题技巧


根据问题准确确定压力和受力面积。在水平面上,物体对支持面的压力大小通常等于物体的重力,但在其他情况下,要根据物体的受力分析确定压力。正确使用公式计算压强,注意单位的统一。分析实际场景中压强变化的原因时,从压力和受力面积的变化入手,判断是哪个因素导致压强改变。例如,分析人在雪地上行走时,脚陷入雪中,而穿上滑雪板后就不容易陷下去,是因为滑雪板增大了受力面积,减小了压强。

常见误区


误将重力等同于压力,忽略了压力的方向和作用面的特殊性;计算压强时用错受力面积,没有正确识别物体与支持面的实际接触面积;不理解压强与压力、受力面积的关系,不能灵活运用公式解决实际问题。

针对性练习


  1. 计算一个正方体木块放在水平桌面上不同放置方式(如平放、侧放、竖放)下的压强,分析压强变化的原因。
  2. 解释为什么骆驼的脚掌宽大有利于在沙漠中行走,从压力和压强的角度进行分析。

九、特殊容器

核心概念


特殊容器是指上口大下口小、上口小下口大等特殊形状的容器,需要分析其中液体对容器底的压力、压强,以及容器对桌面的压力、压强。不同形状的容器会导致液体压力的传递方式不同,从而影响液体对容器底的压力和压强,以及容器对桌面的压力和压强。

理解要点


掌握液体压强公式$p = \rho gh$(其中$p$为压强,$\rho$