《相互作用》基础知识解读

2015-11-26张北春

中学生数理化·高一版 2015年10期

关键词：相互作用测力计弹力

张北春

“相互作用”是物理学的基础知识，涉及的内容包括力的概念、常见力的特点、受力分析、力的运算等。其中力的动态变化分析、力的合成与分解是重点。下面结合基本知识点作一专题辅导，供同学们学习时参考。

基本知识点一：重力、基本相互作用

知识点提示：重力是由于地球的吸引而产生的，但重力的大小不一定等于地球对物体的吸引力，重力一般小于地球对物体的吸引力。重力是非接触力，重力的方向总是竖直向下。

例1 如图1所示，一被吊着的空心的均匀球壳内装满了细沙，底部有一阀门，打开阀门让细沙慢慢流出的过程中，球壳与细沙的共同重心会（）。

A.一直下降

B.一直不变

C.先下降后上升

D.先上升后下降

在装满细沙时，球壳和细沙的共同重心在球心。随着细沙的流出，球壳的重心不变，但是细沙的重心在下降，二者的共同重心在下降。当细沙流完时，重心又回到了球心。可见重心是先下降后上升，故选项C正确。

（1）质量分布均匀的物体，重心位置只跟物体的形状有关。若物体的形状是中心对称的，对称中心就是重心。（2）质量分布不均匀的物体，重心位置除跟物体的形状有关外.还跟物体的质量分布情况有关。如起重机的重心位置随吊升货物的多少和位置变化而变化。

基本知识点二：形变、弹性、弹力

知识点提示：判断弹力方向有以下几种情况。（1）判断弹簧的弹力方向要注意看弹簧是压缩还是伸长。（2）绳子产生的弹力沿绳的收缩方向。（3）平面产生或受到的弹力（压力或支持力）垂直于平面，其方向均指向被压或被支持的物体。（4）与受力物体的形变方向相反。

例2 2015年8月4日，喀山跳水世锦赛落幕，中国跳水队共夺得10金3银2铜。在世锦赛上有跳板跳水这一运动项目，对于跳板跳水这一运动项目，下列说法正确的是（）。

A. 跳板发生形变，运动员的脚没有发生形变

B.跳板和运动员的脚都发生了形变

C.运动员受到的支持力，是跳板发生形变而产生的

D.跳板受到的压力，是跳板发生形变而产生的

相互作用的两个物体都要发生形变。弹力是由施力物体发生形变产生的。发生形变的物体，为了恢复原状，会对与它接触的物体产生弹力的作用，发生形变的物体应是施力物体。相互作用的两个物体互为施力物体，所以都要发生形变。答案为BC。

运动员对跳板施力的同时，也受到跳板对运动员的作用力。

基本知识点三：滑动摩擦力、动摩擦因数、静摩擦力

例3 水平的皮带传送装置如图2所示，皮带的速度保持不变，物块被轻轻地放在A端皮带上，开始时物块在皮带上滑动，当它到达位置C后停止滑动，之后随皮带一起匀速运动，直到传送到目的地B端。在传送过程中，该物块受摩擦力情况是（）。

A. 物块一直受到方向向右的摩擦力

B.物块一直受到方向向左的摩擦力

C.物块先受到方向向右的摩擦力，到C后不再受摩擦力

D.物块先受到方向向左的摩擦力，到C后不再受摩擦力

小物块由静止加速向右，但运动的速度要比皮带小得多，故小物块相对皮带向左运动，故小物块受到的摩擦力方向向右。当小物块的速度和皮带的速度相等时，两者保持相对静止，两者之间没有摩擦力。答案为C。

要正确理解摩擦力产生条件中“相对”的含义：“相对”既不是对“地”，也不是对“观察者”，“相对”的是跟它接触的物体，即把其中一个物体作参考系，分析另一个物体相对于参考系的运动。

基本知识点四：矢量和标量

知识点提示：位移既有大小又有方向，而时间、温度、路程等物理量只有大小没有方向。像位移这样的物理量叫做矢量，矢量既有大小又有方向；像时问、温度、路程这样的物理量叫做标量，标量只有大小没有方向。标量相加遵从算术加法的法则，而矢量相加则遵从几何加法的法则。

例4 下列各组中的物理量，都属于矢量的是（）。

A. 速度、位移、力

B.速度、加速度、温度

C.位移、力、质量

D.加速度、时间、路程

矢量是既有大小又有方向，相加遵循平行四边形定则的物理量，力、速度、加速度都是矢量。标量是只有大小、没有方向的物理量，如路程、时间、质量等。答案为A。

基本知识点五：力的合成与分解

知识点提示：处理力的合成问题的基本方法有：（1）力的图示法，按力的图示作平行四边形，然后量出对角线的长短和方向；（2）代数计算法，由正弦或余弦定理以及相似三角形解三角形；（3）正交分解法，将各力沿互相垂直的方向先分解，然后求出各方向的合力，再合成；（4）多边形法，将各力的首尾依次相连，由第一个力的始端指向最后一个力的尾端的有向线段表示合力的大小和方向。力的分解的一般步骤为：（1）根据力的作用效果确定两个实际分力的方向；（2）根据已知力和两个分力方向作平行四边形；（3）根据平行四边形定则或三角形定则及学过的数学知识求出两个分力的大小。

例5 2015年8月1日，四川省首届大、中学生体操锦标赛在自贡市体育中心落下帷幕。如图3所示，单杠比赛中，运动员双手对称地握住单杠，使身体悬空。设每只手臂所受的拉力都是T，它们的合力是F，若两臂之间的夹角增大了，则（）。

A. T和F都增大

B. T和F都减小

C. T增大，F不变

D.T不变，F增大

以人为研究对象，人受到自身的重力和单杠对两手臂的拉力，很明显，两拉力的合力的大小和重力的大小相等，当两臂之间的夹角增大时，合力不变，T会变大。答案为C。

力的合成必须遵循“同物性”和“同时性”的原则。“同物性”是指待合成的诸力是作用在同一物体上的力。“同时性”是指待合成的诸力是同时出现的力。

基本知识点六：共点力的平衡

知识点提示：应用共点力平衡条件解题的一般步骤为：（1）根据题目的要求和计算方便，恰当地选择研究对象，要使题目中的已知条件和待求的未知量之间能够通过这个研究对象的平衡条件联系起来。（2）正确分析研究对象的受力情况，画出受力示意图。（3）应用平衡条件，选择恰当的方法，建立平衡方程。（4）解方程，对结果进行说明或讨论。

侧6 如图4所示，三条绳子的一端都系在细直杆顶端，另一端都固定在水平地面上，将杆竖直紧压在地面上，若三条绳长度不同，下列说法正确的有（）。

A. 三条绳中的张力都相等

B.杆对地面的压力大于自身重力

C.绳子对杆的拉力在水平方向的合力为零

D.绳子拉力的合力与杆的重力是一对平衡力

由受力分析可得，三个绳子不等长，即与地面夹角不等，故其张力大小不等，选项A错误；地面对杆的支持力与杆受的重力和绳子对杆拉力的向下的分力平衡，故杆对地面的压力应与重力和绳子拉力向下分力的和等大，选项B正确；杆在水平方向处于平衡状态，故三绳对杆的拉力在水平方向的合力为零，选项C正确；绳的拉力、杆受的重力和杆受的支持力三力平衡，选项D错误。答案为BC。

解题中要注意灵活选取研究对象，判断研究对象是否满足平衡条件。

基本知识点七：探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系

知识点提示：弹簧受到拉力会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等。这样弹力的大小可以通过测定外力而得出（可以用悬挂砝码的方法给弹簧施加拉力）；弹簧的伸长可用直尺测出。多测几组数据，用列表或作图的方法可探索出弹力与弹簧伸长的定量关系。

例7 某同学在做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验时，将一轻弹簧竖直悬挂并让其自然下垂，测出其自然长度；然后在其下部施加外力F，测出弹簧的总长度L，改变外力F的大小，测出几组数据，作出外力F与弹簧总长度L的关系图像如图5所示。实验过程是在弹簧的弹性限度内进行的，由图可知该弹簧的自然长度为_____cm，该弹簧的劲度系数为_____N/m。

本实验的系统误差来自弹簧的重力，所以改进实验的思路应该是尽可能减小弹簧自重的影响。

基本知识点八：验证力的平行四边形定则

知识点提示：验证过程为：（1）用两个测力计拉细绳套使橡皮条伸长，绳的结点到达某点0。记录结点0的位置，两测力计的示数F1、F2，两测力计所示拉力的方向。（2）用一个测力计重新将结点拉到O点。记录测力计的拉力大小F及方向。减小误差的方法为：（1）测力计使用前要校准零点。（2）方木板应水平放置。（3）弹簧伸长方向和所测拉力方向应一致，并与木板平行。（4）两个分力和合力都应尽可能大些。（5）拉橡皮条的细线要长些，标记两条细线方向的两点要尽可能远些。（6）两个分力间的夹角不宜过大或过小，一般取60°～120°为宜。

例8 在“验证力的平行四边形定则”实验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮条的一端固定在板上一点，两个细绳套系在橡皮条的另一端。用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套，互成角度地施加拉力，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，如图、6所示。请将以下的实验操作和处理补充完整：

①用铅笔描下结点位置，记为0；

②记录两个弹簧测力计的示数F1和F2，沿每条细绳（套）的方向用铅笔分别描出几个点，用刻度尺把相应的点连成线；

③只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置0，记录测力计的示数F3，_____；

④按照力的图示要求，作出拉力F1、F2、F3；

⑤根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F；

⑥比较_____的一致程度，若有较大差异，对其原因进行分析，并作出相应的改进后再次进行实验。

使一个力F的作用效果和两个力F1、F2的共同作用效果相同，都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到某点。作出F的图示，再根据力的平行四边形定则作出力F1、F2的合力F3的图示，比较F和F3的大小和方向是否相同，从而验证力的平行四边形定则。

答案：沿此细绳（套）的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线 F和F3

每次实验保证结点位置保持不变，是为了使合力的作用效果与两个分力共同作用的效果相间，这是物理学中等效替换的思想方法。由于力不仅有大小，还具有方向，所以如果两次橡皮条的伸长长度相同但结点位置不同，就说明两次的效果不同，不满足合力与分力的关系，不能验证平行四边形定则。

跟踪训练：

1. 2015年8月8日，中日围棋擂台赛30周年纪念赛在浙江省湖州举行。如图7所示，围棋赛评析的棋盘是竖直的，棋盘上布有磁石，而每个棋子都是一个小磁体，关于棋盘和棋子的下列说法中正确的是（）。