力——聯(lián)系宇宙萬物的紐帶,它左右著宇宙萬物的一切活動,從宇宙中天體的運動,地球上空氣、水、地殼的運動,動物的奔跑,人類的活動,乃至微觀粒子的運動都和相互作用的力有關(guān).沒有力的作用,宇宙間的物體都是相互孤立的,無法形成相互之間的聯(lián)系.
我們知道力是物體間的相互作用,生活中我們會用到各種各樣的力,例如推自行車、拉橡皮筋、跳水運動員壓跳板,這里的推力、拉力、壓力的施力物體都是人,受力物體分別是自行車,橡皮筋,跳板.不一樣的力作用在不同的物體上產(chǎn)生了不同的作用效果,推力使自行車由靜止變?yōu)檫\動,拉力使橡皮筋由短變長,壓力使跳板由直變彎了.由靜到動我們說是運動狀態(tài)發(fā)生了改變,由短變長,由直變彎,我們說是形狀發(fā)生了改變.由此我們把力的作用效果總結(jié)為:力可以使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變,也可以使物體發(fā)生形變.
那么力產(chǎn)生的這些效果跟力的哪些因素有關(guān)呢?我們在生活中又是如何巧妙用力去達到我們的預(yù)期效果的呢?你知道為什么門的把手總是裝在門的邊緣?跳水運動員為什么總是站在跳板的末端起跳?等等.
下面我們通過兩個實驗來體會影響力的作用效果的因素.
實驗一:探究足球的運動情況與受到的力的哪些因素有關(guān)?
1.分別用方向相同大小不同的力踢球,力越大,球飛的越遠,力的作用效果不同,說明力的作用效果與力的大小有關(guān).
2.分別用大小相同,方向不同的力去踢球,結(jié)果球飛出的方向是不同的,力的作用效果不同,說明力的作用效果與力的方向有關(guān).
3.用大小方向都相同的力踢球,但第一次力作用在足球的側(cè)面,另一次力的作用足球底部,發(fā)現(xiàn)球飛出的方向不同,力的作用效果不同,說明力的作用效果與力的作用點有關(guān).
實驗二:探究彈簧的形變與受到的力的哪些因素有關(guān)?
1.對同一根彈簧分別施加大小相等方向相反的兩個力F1、F2,發(fā)現(xiàn)F1會使彈簧變長,F(xiàn)2會使彈簧變短,這兩個力的作用效果不同,說明力的作用效果與力的方向有關(guān).如圖1.
圖 1
2.對同一根彈簧分別施加方向相同的兩個力F1和F2,且F1 圖2 3.在同一根彈簧的中間和下端分別掛相同的鉤碼,使彈簧受到兩個大小和方向都相同的兩個力F1和F2,只是作用在彈簧的不同地方,發(fā)現(xiàn)兩個力都能使彈簧伸長,但力F2使彈簧伸的更長一些,這兩個力的作用效果不同,說明力的作用效果與力的作用點有關(guān). 如圖3. 圖 3 以上實驗說明了力的作用效果與力的大小、方向和作用點有關(guān).物理學(xué)上把影響力的作用效果的三個因素稱為力的三要素.力的三要素中只要有一個不同,力的作用效果就不同. 生活中我們更容易理解力的大小不同或者力的方向不同,力的作用效果就不同這樣一個事實.對于力的作用點是如何影響力的作用效果的呢?我們來看看下面幾個實例. 開門、關(guān)門時,手總是在門的外側(cè)用力,容易把門打開或關(guān)上, 如果用大小、方向都相同的力,作用點選擇在門的內(nèi)側(cè),就不容易開、關(guān)門了.現(xiàn)在你知道為什么門的把手總是安裝在門的邊緣了吧! 用扳手擰螺母時, 力的作用點總是選擇在扳手的末端(A點)(如圖4),這樣容易把螺母擰緊.如果力氣太小, 擰不動螺母時, 還可以在扳手上套一根鋼管,力的作用點選擇在鋼管的末端, 這樣可以更輕松地擰螺母. 喜歡觀看足球比賽的同學(xué)們, 一定見過這樣的場景: 進攻隊員起腳勁射, 球繞過了防守方五六個球員在球門前組成的“人墻”, 眼看要偏離球門飛出, 卻又沿弧線拐過彎來直入球門,讓守門員措手不及, 眼睜睜地看著球飛進球門.這就是頗為神奇的“香蕉球”.為什么足球會在空中沿弧線飛行呢?原來, 罰“香蕉球”的時候, 運動員并不是用腳踢足球的中心, 而是稍稍偏向一側(cè), 同時用腳背摩擦足球, 使球在空氣中前進的同時還不斷地旋. 這種現(xiàn)象在打乒乓球時也常見, 運動員在削球或拉弧圈球時, 球的線路也會改變,打出“旋球”,道理與“香蕉球”是一樣. 可見, 要使力的作用達到預(yù)期的效果, 就必須控制好力的大小、方向、作用點這三個要素. 如何表示力的三要素呢? 在物理學(xué)中有兩種方法——力的示意圖和力的圖示法. 力的示意圖, 就是用一根帶箭頭的線段表示力.線段的起點表示力的作用點, 線段末端的箭頭表示力的方向, 同一個物體上要表示幾個力時, 較大的力線段應(yīng)較長.畫力的示意圖時,首先要明確畫幾個力?每個力的受力物體是什么?力的大小和方向怎樣?然后, 在受力物體上畫出力的作用點, 再從力的作用點起沿力的方向畫一條線段, 在線段末端畫上箭頭,在箭頭附近標出力的符號.下面我們舉例說明力的示意圖的作法. 例1 重為10N 的物體A 放在水平面上, 受到水平向右25N 的拉力作用,畫出物體受到的重力和拉力的示意圖. 步驟:①確定要畫的兩個力都是物體A 受到的; ②在物體A 上畫出力的作用點; ③沿豎直向下的方向畫一條線段, 線段末端畫上箭頭, 標出重力的符號G; ④沿水平向右的方向畫一條較長的線段(因為拉力大于重力),線段末端畫上箭頭, 標出拉力的符號F.(如圖5) 例2 用10N 的水平力將重6N 的物體B壓在豎直墻壁上處于靜止,試畫出物體B 受到的重力和墻壁受到的壓力的示意圖. 步驟: ①確定要畫的兩個力的受力物體, 其中重力是物體B受到的, 壓力是墻壁受到的;②在物體B 上畫出重力的作用點, 沿豎直向下的方向畫一條線段,線段末端畫上箭頭,標出重力的符號G; ③在墻壁上畫出壓力的作用點, 沿水平向左的方向畫一條較長的線段(因為壓力大于重力), 線段末端畫上箭頭, 標出壓力的符號F.(如圖6) 力的圖示法, 就是用一根帶箭頭的線段來表示力,把力的三要素都表示出來.線段的起點表示力的作用點, 線段的長度跟力的大小成正比,線段末端的箭頭表示力的方向.跟力的示意圖相比較, 主要區(qū)別就是要準確地表示出力的大小,其余的要求基本相同.畫力的圖示, 同樣要明確畫幾個力?每個力的受力物體是什么?力的大小和方向怎樣?然后, 在受力物體上畫出力的作用點,根據(jù)要畫的力的大小, 確定合適的標度,再從力的作用點起沿力的方向畫一條線段, 線段的長度跟力的大小成正比, 在線段末端畫上箭頭,在箭頭附近標出力的符號和大小. 例3 畫出沿水平方向以5N的力拉小車時的拉力的圖示. 步驟: ①確定要畫的力的受力物體小車 ②在小車上標出力的作用點 ③確定比例標度,一段表示1N.沿水平方向畫一條線段,長度為比例標度的5倍,在線段末端畫上箭頭, 標出拉力的符號F =5N.(如圖7) 例4 重為G=15N的小球在水平桌面上,受到水平方向的大小為F=20N的推力,試畫出小球受到的重力和推力這兩個力的圖示. 步驟: 1.確定兩個力的受力物體都是小球 2.兩個力的作用點都在小球的重心,標出力的作用點 3.確定比例標度,一段表示5N.沿水平向右的方向畫一條線段,長度為比例標度的4倍,在線段末端畫上箭頭,標出推力的符號F=20N.再沿豎直向下的方向畫一條線段,長度為比例標度的3倍,在線段末端畫上箭頭,標出重力的符號G=15N.(如圖8) 圖8 最后舉幾個關(guān)于力的三要素的典型例題,看看大家對力的三要素掌握的情況如何! 例5 小明用力提一桶水時,他對水桶施加了一個提力,同時水桶也對小明的手施加了一個拉力,則這兩個力的三要素( ). A.完全相同 B.大小、方向都相同,作用點不同 C.大小相同,方向和作用點都不同 D.作用點相同,大小和方向都不同 解析 兩個完全相同的力必須是三要素完全相同;小明提水時給水桶一個向上的力.這個力的作用點在受力物體水桶上;同時水桶給小明的手施加了一個向下的力,作用點在小明手上;這兩個力的方向不同,而且作用點分別作用在兩個物體上. 答案 C 例6 某人用與地面成45°角,大小為100N的力F向右拉一木箱,四位同學(xué)分別畫出了拉力的力的圖示,如圖9所示.其中正確的是( ). 解析 畫力的圖示時,每條有方向的線段至少有兩個標度大小的長度,且必須是標度的整數(shù)倍;當力的方向與水平面成一角度時.要正確標出這個力的方向,并把這個力與水平面的夾角注明;表示力的方向的箭頭,必須畫在線段的末端,不可隨意畫在線段的中部或伸到線段末的外面;力的數(shù)值和標度不要漏掉. 答案 C 例7 一重為20N的物體靜止在斜面上, 試畫出重物受到的重力的圖示. 步驟: ①確定要畫的重力是重物受到的; ②在重物上畫出力的作用點; ③確定比例標度, 一段表示10N.沿豎直向下的方向畫一條線段, 長度為比例標度的2 倍,在線段末端畫上箭頭, 標出重力的符號G=20N.(如圖10所示). 解析 畫力的圖示時,首先確定受力物體,標出作用點,根據(jù)力的大小確定合適的比例標度,力的大小需是比例標度的整數(shù)倍,注意所畫的力的方向不要弄錯,作出力的作用線,標出力的大小. 物理離不開生活, 只要同學(xué)們留心觀察, 就會發(fā)現(xiàn)生活中處處都有物理問題,值得我們?nèi)リP(guān)注和體驗.希望同學(xué)們能夠?qū)⒗碚撨\用于實踐,達到學(xué)以致用的效果.