受力分析中的干擾因素及應(yīng)對策略

劉勝斌

(廣西玉林實驗中學(xué),廣西玉林 537000)

物體受力分析是力學(xué)中的基礎(chǔ)內(nèi)容,正確分析物體的受力情況,是研究力學(xué)問題的關(guān)鍵,是學(xué)生學(xué)習(xí)物理必須掌握的基本功.但是在教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生在受力分析時,經(jīng)常出現(xiàn)錯誤.究其原因,是受生活經(jīng)驗、思維習(xí)慣等干擾因素的影響.本文通過典型范例闡述幾種受力分析中的干擾因素及其應(yīng)對策略,以供參考.

1 施力干擾因素

物體之間的作用力是相互的,施力物體同時也是受力物體.許多學(xué)生在作受力分析時,往往分不清施力物體、受力物體,經(jīng)常受施力物體因素的干擾,誤把施加給別的物體的力當(dāng)作受力.

圖1

例1.如圖1所示,一個物體 A受到一個瞬時沖擊后,沿固定的粗糙斜面向上滑動,則物體 A上滑過程中,物體A受到的力是

(A)重力、沿斜面向下的壓力和斜面的壓力.

(B)重力、沿斜面向上的沖力和沿斜面向下的滑動摩擦力.

(C)重力、沿斜面向下的滑動摩擦力和斜面的支持力.

(D)重力、沿斜面向上的沖力、沿斜面向下的滑動摩擦力和斜面的支持力.

錯誤解法:認為選項(A)正確或選項(B)正確.

錯解分析:選項(A)混淆受力分析的對象,其中“壓力”的施力物體是 A,受力物體是斜面,它是斜向下垂直于斜面方向的作用在斜面上的彈力,選項(A)還犯了“漏力”的錯誤.選項(B)根據(jù)物體 A向上運動,臆斷 A受到向上的沖力,其原因是不理解力的物體性,即任何一個力既存在受力物體也必存在施力物體.

正確解法:物體 A受重力,在向上運動的過程中,斜面對它產(chǎn)生的接觸力有支持力及滑動摩擦力.其中支持力與接觸斜面垂直向上,摩擦力與 A相對斜面的運動方向相反,即沿斜面向下,所以選項(C)正確.

應(yīng)對策略:避免“漏力”的方法是,可按重力、彈力、摩擦力……順序逐一考慮;避免“多力”的方法是,找出每一個力的施力物體,找不到施力物體的力是不存在的.

2 接觸干擾因素

所有彈力都是由于物體相互接觸才產(chǎn)生的,但是并不是所有的接觸面都存在彈力,有少數(shù)特殊條件下的接觸面沒有彈力,有些學(xué)生對特殊條件知之甚少,導(dǎo)致受力分析時出現(xiàn)錯誤.

例2.如圖2所示,物體 A受到幾個力的作用,各是什么力?

圖2

錯誤解法:物體 A受到3個力的作用,它們分別為重力,墻壁對物體A的彈力,繩子對物體 A的拉力.

錯解分析:產(chǎn)生彈力的條件是兩物體直接接觸且發(fā)生彈性形變.墻壁與物體 A雖然接觸,但它們之間沒有發(fā)生彈性形變,即它們之間無彈力作用.

正確解法:物體 A受到兩個力的作用,分別為重力、繩子對物體 A的拉力.從圖2中可以看出物體 A與墻壁接觸滿足彈力的第1個條件,但對于第2個條件,可用假設(shè)法,設(shè)有彈力,則 A將向右運動,與題目不符,所以墻壁對物體 A沒有彈力作用.

應(yīng)對策略:在判斷物體間是否有彈力時易受接觸干擾因素的影響產(chǎn)生錯誤,為避免這類錯誤,若產(chǎn)生彈力的條件比較明顯,可直接利用產(chǎn)生彈力的條件判斷;若產(chǎn)生彈力的條件不明顯,可用“假設(shè)法”或“拆除法”判斷.“假設(shè)法”即假設(shè)接觸面處存在彈力,作出物體的受力圖,再根據(jù)平衡條件判斷是否存在彈力.“拆除法”即去掉與研究對象接觸的物體,看研究對象能否保持原狀態(tài),若能,則說明此處彈力不存在;若不能,說明彈力存在.

3 運動干擾因素

在分析受力時,學(xué)生對摩擦力的判斷最感棘手,有沒有摩擦力,摩擦力朝什么方向,是滑動摩擦力還是靜摩擦力,都不容易確定,而造成對分析摩擦力的最大干擾因素則來自于運動.

圖3

例3.水平皮帶傳輸裝置如圖3所示,皮帶的速度保持不變,物體被輕輕地放在 A端皮帶上,開始時物體在皮帶上滑動,當(dāng)它到達位置 C后滑動停止,之后就隨皮帶一起勻速運動,直至傳送到目的地B端.在傳送過程中,物體受到的摩擦力

(A)在 AC段為水平向左的滑動摩擦力.

(B)在AC段為水平向右的滑動摩擦力.

(C)在CB段不受靜摩擦力.

(D)在CB段受水平向右的靜摩擦力.

錯誤解法:認為選項(A)或(D)正確.

錯解分析:受運動因素的影響,把“滑動摩擦力總是阻礙物體間的相對運動”誤解為“總是阻礙物體的運動”,以為物體向右運動,必受到水平向左的滑動摩擦力;認為“力是產(chǎn)生運動的原因”,以為物體向右運動必然需要力來維持,所以在CB段受水平向右的靜摩擦力.

正確解法:當(dāng)物體被輕輕放在皮帶 A端時,其初速度為零,物體相對皮帶向左運動,物體受到的滑動摩擦力水平向右,使物體相對地面向右加速運動,所以選項(B)正確;當(dāng)物體與皮帶等速時,兩者無相對運動及相對運動的趨勢,兩者之間無摩擦力作用,物體受到重力及皮帶支持力,在這一對平衡力作用下做勻速直線運動,所以選項(C)正確.

應(yīng)對策略:在分析摩擦力時,必須根據(jù)兩個相互接觸物體的相對運動或相對運動趨勢情況,確定摩擦力是否存在及其性質(zhì).

4 經(jīng)驗干擾因素

成功的經(jīng)驗可作為認識事物的捷徑,而不成熟的、片面的經(jīng)驗,卻往往容易將人們的思維引入歧途.

圖4

例4.如圖 4所示,粗糙斜面上的物體受到沿斜面向上的拉力F作用而靜止,除拉力F外,物體還受到其他力,下列說法正確的是

(A)重力、垂直斜面向上的支持力,摩擦力一定沿斜面向上.

(B)重力、垂直斜面向下的支持力,摩擦力一定沿斜面向下.

(C)重力、垂直斜面向上的支持力、沿斜面向下的下滑力.

(D)重力、垂直斜面向上的支持力、可能不受摩擦力.

錯誤解法:認為選項(A)或(B)或(C)正確.

錯解分析:憑片面的經(jīng)驗認為物體受沿斜面向上(或向下)的摩擦力,原因是對物體相對斜面運動趨勢方向沒有進行多角度、多方位分析;還認為物體受到沿斜面向下的下滑力,原因是對物體進行受力分析時,既按性質(zhì)又按效果來分析,這樣把重力與其效果力(在斜面上的下滑力)混在一起,造成重復(fù).

正確解法:物體受重力、垂直斜面向上的支持力,靜止在斜面上的物體沒有下滑力,其實這個“下滑力”并不是一個實際存在的力,而是重力沿斜面向下的分力.

至于摩擦力要根據(jù)本題的具體情況分析:當(dāng)拉力F較大(F＞mgsinα)時,物體有沿斜面向上的運動趨勢,物體所受的靜摩擦力沿斜面向下,其大小為 F′=F-mgsinα;當(dāng)拉力 F較小(F＜mgsinα)時,物體有沿斜面向下的運動趨勢,物體受到的靜摩擦力沿斜面向上,其大小為 F′=mgsinα-F;當(dāng)拉力 F 取某一特殊值(F=mgsinα)時,物體無運動趨勢,故物體不受靜摩擦力作用.今所給拉力F的大小未知,上述情況均有可能,所以選項(D)正確.

應(yīng)對策略:去掉片面的經(jīng)驗,積累成功的經(jīng)驗.當(dāng)物體受力大小或方向未確定時,物體的運動狀態(tài)具有多種可能性,對靜摩擦力的方向,可根據(jù)它與相對運動趨勢方向相反去判斷;對靜摩擦力的大小,可根據(jù)物體的運動狀態(tài)去確定.