第1章++++力.docx
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第1章++++力
第1章力
自然界的物体不是孤立存在的,他们之间具有多种多样的相互作用。
正是由于这些相互作用,物体在形状、运动状态以及其他肉眼不能察觉的许多方面发生变化。
在物理学中,物体间的这些相互作用抽象为一个概念:
力。
自然界中最基本的相互作用是引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。
常见的重力是万用引力在地球表面附近的表现,常见的弹力、摩擦力是由电磁力引起的。
本章研究这三种常见力:
重力、弹力和摩擦力,明确这三种力的要素,进而学习力的合成与分解,加深对力的理解。
1.1重力弹力
阅读提示
Ø掌握重力的方向和大小。
Ø掌握弹力产生的条件和方向。
Ø了解胡克定律。
生活与物理
运动员踢球,球由静止变为运动;守门员接住球,球由运动变为静止;运动员用头顶球,球的方向改变了。
是什么原因使这些球的运动状态发生了改变?
用手压锯条,锯条变弯;用手拉橡皮条,橡皮条变长。
是什么原因使物体产生了形变?
1.力
我们在初中已经学过,力是物体之间的相互作用。
用手提起重物、拉长弹簧时,手对重物、弹簧施加了力,同时重物、弹簧对手也施加了力。
马拉着车前进时,马对车施加了力,同时车对马也施加了力。
可见一个物体受到力的作用时,一定有另外的物体对他施加这种作用;前者是受力物体,后者是施力物体。
只要有力发生,就一定有受力物体和施力物体。
力是物体对物体的作用,力不能离开物体而单独存在。
有时为了方便,只说物体受到了力,而没有指明施力物体,但施力物体是一定存在的。
力的大小可以用测力计(弹簧称)来测量。
力的单位N(牛)。
力不但有大小,而且有方向,其效果还与作用点有关。
我们把力的大小、方向和作用点叫做力的三要素。
力对物体的作用效果与每一要素都有关系,要描述一个力,必须同时指明这个力的大小、方向和作用点,否则就不能完全确定这个力的作用效果。
我们通常用带箭头的线段表示力。
线段是按一定比例(标度)画出的,他的长度表示力的大小,箭头指向表示力的方向,箭头或箭尾表示力的作用点,力的方向所沿的直线叫做力的作用线。
这种表示力的方法,叫力的图示。
例如用起重机提起货物(如图1-1甲);力的图示(如图1-1乙)表示作用在货物上的力为150000N,方向竖直向上。
有时只需要画出力的示意图,即只在图中画出力的方向,表示物体在这个方向上受到了力。
甲乙
起重机提起货物力的图示
图1-1
2.重力
地球上的一切物体都要受到地球的吸引,重力就是由于地球的吸引而使物体受到的力。
重力不但有大小,而且有方向,重力的方向竖直向下。
重力的大小可以用弹簧秤测出。
物体静止时对弹簧秤的拉力,(图1-2a)或压力(图1-2b)。
大小等于物体的重力。
在同一地点,质量为m的物体,其重力G跟物体的质量m的关系为
G=mg(1-1)
式中g=9.8N/kg,表示质量是1kg的物体受到的重力是9.8N。
.
图1-2用弹簧秤测出物体所受的重力
一个物体的各部分都要受到重力的作用。
从效果上看,我们可以认为各部分受到的重力都集中于一点,这一点可看作是重力的作用点,叫做物体的重心。
形状规则均匀的物体,重心就在他的几何中心上。
例如,均质球体的重心在他的球心,均匀细直棒的重心在他的中点,均质圆柱体的重心在其轴线的中点,如图1-3所示。
图1-3均匀物体重心的位置
质量分布不均匀的物体,重心的位置除了跟物体的形状有关外,还跟物体的质量分布有关。
例如起重机的重心随着提升物的重力和高度而变化。
试一试
请同学们用悬挂法找出形状不规则的厚为1mm左右的铁片、木板及黑板擦等物体的重心。
3.弹力
用力拉橡皮筋时他会变长变细,物体受力后形状或体积的改变,叫形变。
发生形变的物体,由于他有恢复原状的趋势,所以将对跟他接触并使他发生形变的物体产生力的作用,这种力叫做弹力。
弹力产生在直接接触而又彼此发生形变的物体之间,弹力是一种接触力。
例如,被拉长的弹簧要恢复原状,对跟他接触的小车将产生弹力的作用,可使小车向右运动(图1-4);被压缩的弹簧要恢复原状,对跟他接触的小车将产生弹力的作用,可使小车向左运动(图1-5);发生弯曲的跳板,对跟他接触的运动员产生弹力的作用,可以帮助运动员跳离跳板(图1-6)。
图1-4被拉长的弹簧使小车向右运动图1-5被压缩的弹簧使小车向左运动
图1-6发生弯曲的跳板,可以把运动员弹起来
图1-7
任何物体受力后都能发生形变,不过有的形变比较明显,有的形变极其微小。
放在水平面上的书,由于重力的作用而压迫桌面,使书和桌面同时发生微小的形变。
书由于发生微小的形变,对桌面产生垂直于桌面向下的弹力F1,这就是书对桌面的压力;桌面由于发生微小的形变,对书产生垂直于书面向上的弹力F2,这就是桌面对书的支持力(图1-7)。
可见,通常说的压力和支持力都是弹力。
压力的方向垂直于支持面指向被压的物体,支持力的方向垂直于支持面指向被支持的物体。
挂在电线下面的电灯,由于重力的作用而拉紧电线,使电灯和电线同时发生微小的形变。
电灯由于发生微小的形变,对电线产生竖直向下的弹力F1,这就是电灯对电线的拉力;电线由于发生微小的形变,对电灯产生竖直向上的弹力F2,这就是电线对电灯的拉力(图1-8)。
图1-8
可见,通常说的拉力也是弹力。
绳的拉力是绳对所拉物体产生的弹力,方向总是沿绳并指向绳收缩的方向。
弹力的大小跟弹性形变的大小有关,形变越大,弹力就越大。
但是,如果形变过大,超过一定限度,即使撤去外力物体也不能恢复原状,这个限度叫做弹性限度。
英国科学家胡克通过对弹簧形变的研究,发现在弹性限度内,弹簧弹力的大小跟弹簧伸长(或缩短)的长度成正比,即
F=kx(1-2)
这个规律叫做胡克定律。
式中,k是比例常数,叫做弹簧的劲度系数,其单位是N/m,他跟弹簧的长度、材料、粗细等有关。
x是弹簧伸长或缩短的长度,即弹簧形变后的长度与弹簧原来长度的差值,其单位是m。
思考与讨论
靠在一起的台球(图1-9),他们之间有弹力的作用吗?
为什么?
图1-9
实践活动
1.调查生产、生活中所用弹簧的形状及使用目的。
2.取一只扁的玻璃瓶,里面盛满水,用穿有透明吸管的橡皮泥封口,使水位于吸管中,用手捏玻璃瓶,可以看到透明吸管中的水面变化,说明玻璃瓶在手的作用下发生了形变(图1-10)。
请你用家里的玻璃瓶作实验,体验这种微小形变。
图1-10
练习
1.举出几个日常生活中的实例,说明力是物体之间的相互作用。
2.用力的图示法画出下面的力,并指出受力物体和施力物体。
(1)用300N的力提起水桶。
(2)用100N的力水平向右拉桌子。
3.放在桌面上的书,他对桌面的压力等于他的重力,能否说书对桌面的压力就是他的重力?
为什么?
4.下列关于力的说法中正确的是()
A.力是物体之间的相互作用。
B.没有施力物体的力是有可能存在的。
C.当两个物体之间发生力的作用时,其中的任意一个物体既可以是受力物体也可以是施力物体。
5.用弹簧秤竖直悬挂静止的小球,下面的说法正确的是()
A.小球对弹簧秤的拉力就是小球的重力。
B.小球对弹簧秤的拉力等于小球的重力。
C.小球的重力的施力物体是弹簧秤。
D.小球的重力的施力物体是地球。
6.一根弹簧的劲度系数是103N/m,当伸长了2cm时,弹簧的弹力是多少?
1.2摩擦力
阅读提示
Ø掌握滑动摩擦力的概念、方向和大小。
Ø理解静摩擦力的概念和方向。
生活与物理
在拔河比赛中(图1-11),取胜的秘诀与什么因素有关呢?
图1-11
摩擦是一种常见的现象。
同学们在初中已经知道,两个相互接触的物体,当他们发生相对运动或相对运动的趋势时,就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力,这种力叫做摩擦力。
1.滑动摩擦力
人推着箱子在水平地面上向前滑动,当不再用力时,箱子会滑行一段距离停下来,这是由于箱子和地面之间有摩擦力的缘故。
一个物体在另一个物体表面上滑动时,在接触面上所产生的阻碍物体相对运动的力叫滑动摩擦力。
滑动摩擦力的方向总是跟接触面相切,并且跟物体的相对运动方向相反。
如图1-2所示,当物体A相对物体B向右运动时,A受到的滑动摩擦力的方向就是向左的。
图1-2
试一试
找一本较厚的书和一张纸,把书放在水平桌面上,第一次将这张纸的大部分夹在书的前十页内只露出一小部分,然后用水平力向外拉这张纸;第二次将纸夹在书的十至二十页之间,然后用水平力向外拉这张纸;往后每增加十页左右重复上面的实验,注意体会每次把纸拉出来时的感觉有什么不一样?
当书的页数增加到足够多时会出现什么现象?
大量实验表明:
滑动摩擦力的大小跟两物体间正压力的大小成正比。
如果用f表示滑动摩擦力的大小,用FN表示正压力的大小,则
f=µFN(1-3)
其中µ是比例系数,叫做动摩擦因数,它的数值与相互接触的两物体的材料和接触面的状况(如粗糙程度)有关。
在压力相同的情况下,动摩擦因数越大,滑动摩擦力就越大。
动摩擦因数的数值等于两个力的比值,没有单位。
除了滑动摩擦,还有滚动摩擦。
滚动摩擦是一个物体在另一个物体表面上滚动时产生的摩擦。
滚动摩
擦比滑动摩擦小得多,滚动轴承就是利用滚动摩擦小的事实制成的。
表1-1几种材料间的动摩擦因数
材料
动摩擦因数
钢-钢
木-木
木-金属
皮革-铸铁
钢-冰
木头-冰
橡皮轮胎-路面
0.25
0.30
0.20
0.28
0.02
0.03
0.71
【例题】东北某林场,在冬季伐木工作中,常用马拉着雪橇在冰道上滑行将木料运送出去(图1-13)。
一个有钢制滑板的雪橇,上面装有木料,总重力为1.96×104N。
求雪橇在水平的冰道上匀速滑行时马要在水平方向用多大的力?
图1-13
分析:
雪橇(包括木料)在水平方向上受到两个力的作用:
马对雪橇的拉力F(沿着雪橇前进的方向),冰道对雪橇的滑动摩擦力f(与雪橇前进方向相反)。
在这两个力的作用下,雪橇匀速前进。
由二力平衡的知识知道,F=f。
解:
根据公式f=µFN则f=µFN=µG=0.02×1.96×104N=392N
因为雪橇匀速前进,所以F=f=392N
答:
马要在水平方向用392N的力,才能够拉着雪橇匀速前进。
思考与讨论
互相接触的物体相对静止的时候,是不是也可能产生摩擦力?
2.静摩擦力
在日常生活中,我们会遇到这样的现象:
用不大的水平力推放在水平地板上的箱子,箱子没有动,但箱子相对于地板有向前运动的趋势,这时在箱子跟地板之间产生了阻碍箱子相对于地板向前运动的力。
这种发生在两个相对静止且有相对运动趋势的物体之间的力叫做静摩擦力。
静摩擦力的方向总跟接触面相切,并且跟物体的相对运动趋势方向相反(图1-14)。
图1-14
演示实验
将一木块放在水平桌面上,用弹簧秤沿水平方向拉木块(图1-15),拉力的大小可以从弹簧秤读出来。
用较小的力拉木块,木块保持静止。
这时,木块在水平方向受到拉力和静摩擦力的作用,这两个力大小相等方向相反,彼此平衡,因此箱子保持不动。
如果逐渐增大对木块的拉力,木块仍旧保持不动,静摩擦力跟拉力仍旧彼此平衡。
图1-15
可见静摩擦力随着拉力的增大而增大。
但是静摩擦力的增大有一个限度,当拉力超过这个限度,木块便开始滑动。
静摩擦力的最大值叫做最大静摩擦力,最大静摩擦力等于使木块刚要滑动时的拉力。
木块在弹簧秤拉力的作用下其运动状态由相对静止、开始运动而过渡到相对运动;木块与桌面之间的摩擦力f也由静摩擦力、最大静摩擦力而过渡到滑动摩擦力。
因此,两物体间发生的静摩擦力f在零和最大静摩擦力fm之间,即0<ffm。
两物体间的最大静摩擦力一般略大于它们之间的滑动摩擦力,但在没有说
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