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第5章 形式多变——各种力的运动定律(1)

第一节礼尚往来——力的相互性

力具有物质性和相互性,也就是说力不能脱离物体而单独存在,且力的作用是相互的,有施力物体就有受力物体。

在日常生活中,人们往往会发现当作用于一个物体时,同时也会受到一个反作用力。事实上,这就是力的相互作用。

力是物体对物体的作用,因此只要我们一提到力,就少不了施力物体和受力物体,两者缺一不可,是同时出现的。施力物体和受力物体是相互的,施力物体也受力,受力物体对施力物体也有力。

如果从力存在的条件来看,无论是哪种情况下的力,作用都是相互的。由于力是一种作用,只有当两个以上的物体发生相互作用时才能说得上有力。

当人们在做俯卧撑时,便会产生一个微小的加速度,由于加速度产生的变化的力特别,所以通常忽略不计。可是实际上,当一个人在床上做俯卧撑时,人对床的压力(即相互作用力)是没有任何变化的。

那么,床为什么没有动呢?这是因为地板比较结实,而人之所以能被撑起来,是由于人的肌肉所产生的力与人的体重相互作用的结果。

在自然界中,相互作用力是很常见的,例如火箭升天、划船、蹦极、跳,等等。

第二节1加1等于2吗——合力

而在物理学中,如果一个力产生的效果与几个力共同作用时产生的效果是相同的,那么这个力就叫做几个力的合力。

合力方向应该是指几个力合成之后的方向,如果是两个力,则对角线的方向即为合力的方向。

如果两个力是平衡力,大小相等,方向相反(夹角为0°或180°时),合力与它几个分力的作用效果相同。

不同情况下的合力,所求方法也有所不同。

(1)在同一直线上的力的合成

如果一个力,作用在物体上的效果与几个力同时作用在物体上的力的效果是相同的,那么这个力就叫做那几个力的合力(即等效法)。

这在日常生活中是最为常见的。当一个箱子摆在你的面前时,如果你用左手往右推,与此同时用右手往左推,这样一来,箱子便会原地不动,这说明了两只手用的力是相等的,也就是说箱子的合力为零。

(2)力的合成指的就是几个已知力的合成。在这里需要注意的是,求合力是对同一个物体而言的。

(3)同一直线上的合力的求法

同一直线上的两个力,通常有以下两种存在方式:

同方向:合力的大小与两分力大小的和是相等的,而合力的方向与任意一个分力的方向相同。

反方向:合力的大小与两分力大小的差是相等的,而合力的方向与较大的分力方向是同一个方向。

(4)对于不在同一直线上的合力而言,求解时应该用平行四边形法则。

1.力的平行四边形或三角形法则

人们所熟知的共点力的合成法则,通常是这样表述的:以表示两个共点力的有向线段作为邻边作一个平行四边形或三角形,这两个邻边之间的对角线即表示两个力的合力的大小和方向。因为力是矢量,既有大小,又有方向,在合成时只能用四边形法则或三角形法则。

根据力的平行四边形或三角形法则我们可以知道,两个共点力的合力与两个力的大小、两个力的夹角的大小有关系。如果两个力的大小一定,它们的合力的大小便会随着两个力夹角的改变在两个力之和与两个力之差范围内变化。这就可以证明,力的合成并不是做简单的加减法就可以解答出来的,1+1有时候也不等于2(体现了力的失量性)。

求一共点力系的合力时,如果运用平行四边形法则的话,可以采用依次合成的方法。

平行四边形法则不仅适用于共点力的合成,而且也适用于一切矢量的合成。如果求三个共点力,可以先将两个力的合力求出来,然后再与第三个力求出合力。如果是四个力的话,可以先两两求出合力,再求出合力的合力,照此类推,便可求出最终的合力。不过,需要注意的是,在效果上合力等于分力。如图两个方向的共点力F1和F2利用平等四边形法则,其合力即为F,方向与分力的方向也不相同。

有的时候,人们为了方便利用三角形法则(可把两个共点力的一个平移,使它们首尾相接,再用一条线与两个力连接成一个三角形,第三边就是合力),只画出一半示意图。

所谓的合力,指的就是作用在物体上所有的力产生的总的效果,这些力包括物体受到的外部外力、物体系统内部的相互内力。用平形四边形法则,将这些力产生的总效果表现出来,就是物体受到的合力。通常情况下,这些力都被划分成某种特殊的方向。事实上,合力只是为了研究问题更方便,其实它是不存在的。

2.二力合成

为了方便地研究物体的受力和运动情况,当两个或超过两个的力同时作用于一个物体时,利用平行四边形法则,把物体所受的多个力转换为一个力,由于物体最常受到动力和摩擦力的影响,因此,把这两个力合成为一个力,也就是所谓的二力合成。

第三节动者恒动,静者恒静——牛顿第一运动定律

着名的物理学家伽利略于300多年前,通过实验推理出运动物体不受阻力时的运动状态。

后来,在笛卡尔的补充下,牛顿进一步对其进行研究及整理,这样一来,就形成更加全面的理论了。

1.牛顿第一运动定律

在不受任何外力的情况下,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止,这就是牛顿第一运动定律。人们将物体保持运动状态不变的这一特性称为惯性,所以牛顿第一定律又叫惯性定律。

对于任何一个物体来说,惯性都是一种固有的属性,无论是固体、液体或气体,无论运动着的物体还是静止的物体,同样具有惯性。

另外,牛顿第一定律也可缩写成惯性定律:动者恒动,静者恒静。也就是说,任何一个物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势,因此物体的运动状态取决于它的运动速度,如果没有外力的话,物体的运动状态是不会改变的。牛顿第一定律不仅对力和惯性这两个物理概念进行了科学的阐述,而且还对力和运动状态的关系作出了合理的解释。除此之外,他还提出了任何物体都具有惯性,这是物理学中的一条基本定律。由此可见,牛顿第一定律说明力并不是维持物体运动状态的条件,而是改变物体运动状态的原因。

该定律能够说明两个问题:第一,明确了物体的运动和力之间的关系。实际上,物体的运动并不是需要力来维持的,当物体的运动状态发生变化(即产生加速度)时,才需要力来维持。以牛顿第一定律为基础,能够得出力的定性定义,也就是力是一个物体对另一个物体的作用,它改变了受力物体的运动状态。第二,得出了物体都具有惯性这一结论。物体能够保持静止或匀速直线运动的状态,是因为没有受到任何力的作用,取决于物体自身的特性。在不受任何力的情况下,物体所作的匀速直线运动也就是所谓的惯性运动,而物体保持原来运动状态不变的、所固有的特性被称为惯性。

在牛顿第一定律中,牛顿并未说明静止或运动状态是以什么为参照系而说出来的。如果按牛顿的本意来说,这里提到的运动是在绝对时间过程中的相对于绝对空间的某一绝对运动。牛顿第一定律之所以能够成立,是取决于这样的参照系。正是这个原因,才使得人们把牛顿第一定律成立的参照系视为惯性参照系,这一定律事实上定义了惯性参照系这一重要概念。

作为牛顿力学体系的一条规律的牛顿第一定律,具有非常重大的意义,它是奠定后两大定律的基础,而且它还是一条独立的定律,不是牛顿第二运动定律的特例。在这里,值得注意的一点是,力是产生加速度的原因,而并不是产生速度的原因。

如果用一种与实际情况比较接近的说法来陈述牛顿第一定律,那么,它应该是这样的:对于任何一个物体而言,如果所受的外力合力为零,物体仍然会保持原有的运动状态。也就是说原来静止的仍然保持静止状态,原来运动的仍然作匀速直线运动。

从本质上来说,物体的惯性实际上是物体相对于平动运动的惯性,它的大小也就是我们所说的惯性质量。在物体转动的情况下,物体也是有惯性的,然而它与第一定律提到的惯性并不相同,它的大小指的是转动惯量。不过,转动惯量、惯性质量都可以用来表示惯性,但它们并不是相同的物理量。当然惯性是物体的本质属性,仅与它的质量有关。在中学物理中,转动惯量这一名词往往是不出现的,因此两者之间存在的区别在这里没有必要作出解释。

由此可见,一个物体在没有受到外力作用或所受合外力为零的情况下,到底是处于静止状态还是处于匀速直线运动状态,不仅仅取决于参考系,还要考虑到初始时的运动状态。

2.牛顿第一定律如何发展而来

(1)伽利略:探索和研究的起步

让同一辆小车从同一个斜面上的同一位置由静止开始滑下,这样做,是为了保证每次小车到达水平面时速度也相同。

第一次,把一块毛巾铺在水平面上,可以发现小车在毛巾上滑行非常短的距离,便会停下来;

第二次,把一块比较光滑的棉布铺在水平面上,可以发现小车在棉布上滑行的距离比第一次距离远;

第三次,把小车直接放在光滑的木板上,滑行的距离最远。

正由于此,伽利略这样认为:平面对小车的阻力才使小车停下来的,越光滑的平面,小车滑行的距离越远。由此可见,阻力越小,小车滑行越远。

正是这一原因,才使得伽利略科学地想象:如果能找到一块十分光滑的平面,阻力为零,小车的滑行速度将永远不会减慢。这为牛顿第一定律的发现奠定了最初的理论基础。

(2)笛卡尔:促进和完善

以伽利略的研究为基础,笛卡尔等人进行了更深层次的研究,他是这样认为的:如果一个运动的物体在不受任何力的作用的情况下,不仅速度不会发生变化,而且运动方向也不会发生变化,将沿着原来的方向一直匀速运动下去。

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