正確認識和深刻理解“三種力”

吳細生

摘 要： 重力、彈力、摩擦力是高中物理力學研究中的三大力，對它們的產生原因，作用方向，以及其大小的研究，對后面力的合成，分解，力的平衡，以及力和運動的學習都是必不可少的內容。

關鍵詞： 三種性質的力 重力 彈力 摩擦力

一、重力

從概念上講，重力是由于地球的吸引而使物體受到的力，是屬于引力的范疇，但二者并不等同，重力的方向總是豎直向下的，不一定指向地心。重力的大小：G=mg同一地點，重力G的質量m成正比，即G=mg，地面附近g通常取9.8N/kg同一物體不同地點，g值不同，重力G不同。重力隨緯度的增加而增大，隨地面高度的增加而減小，大小的測量工具是彈簧測力計，重力的作用點——重心，它不一定在物體上。

例，身體素質和技術相當的跳高運動員，在一般情況下越過相同的高度用“背越式”跳法要比用“跨越式”容易些，你能說出其中道理嗎？因為當是同一個人的時候，跳起來的時候能量是一樣的，用跨越式，因為跨過同樣的高度的時候重心要比背越式高，所以能量是一樣的時候，背越式會好。

二、彈力

1.形變

物體形變指物體發生的物體形狀和體積等變化，從形變能否完全恢復可分為：（1）彈性形變，例如彈簧的形變；（2）范性形變，如橡皮泥的形變。

從定義方面指發生彈性形變的物體，由于要恢復原狀，就會對跟它接觸、使它發生形變的物體產生力的作用，這種力叫做彈力。按照力的作用效果看壓力，支持力，拉力都是彈力。壓力，支持力的方向總是垂直于支持面指向被壓或被支持的物體，繩的拉力方向沿繩的收縮方。

2.彈力產生的條件及有無彈力的判斷

例：如圖所示，用細繩懸掛的小球與光滑斜面相接觸，并保持靜止，甲中細繩傾斜，乙中細繩呈豎直方向。判斷圖甲、乙中小球是否受到斜面的彈力作用？

總結：當物體的形變情況難以直接作出判斷時，采用兩種假設法分析彈力是否存在：一種是假設彈力不存在（即解除相關的接觸面），看看在其他條件不變的情況下，物體是否會改變原先的運動狀態；另一種是假設彈力存在，看看物體是否能保持給定的運動狀態。

3.彈力的方向

與施力物體產生該彈力的形變的方向相反，或與物體恢復原狀趨勢的方向相同。常見的有如下幾種情況：

（1）輕繩的拉力方向：沿繩指向繩收縮的方向。

（2）壓力、支持力的方向：垂直于接觸面指向被壓或被支持的物體。

①點與曲面接觸的壓力或支持力的方向，總垂直于接觸處曲面的切面，指向被壓或被支持的物體，如左圖所示，球面和桿端處，桿的端點所受彈力的示意圖N■。

②線與線之間的壓力、支持力：垂直于兩條直線，或垂直于兩條曲線接觸處的切線如上圖N■所示。

③球與平面接觸的彈力方向，如圖所示，在接觸點與球心連線上而指向受力物體。

④球與球接觸的彈力方向，垂直于過接觸點的公切面而指向受力物體。

（3）彈簧產生的壓力或拉力的方向：沿彈簧的軸線，指向彈簧恢復原形的方向。

（4）輕桿既可產生壓力又可產生拉力，且方向不一定沿桿。

4.彈力的大小

彈力的大小跟形變量的大小有關，形變量越大，彈力也越大。

（1）彈簧的彈力，由胡克定律F=kx，k為勁度系數，由本身的物理條件（材料、長度、截面積等）決定，形變量為x，即彈簧形變后的長度L與原長L■的差：x=|L-L■|，x不是彈簧的長度。

（2）一般物體所受彈力的大小，可以根據運動狀態，利用平衡條件和牛頓運動定律計算。

三、摩擦力

摩擦力有滑動摩擦力和靜摩擦力兩種，它們的產生條件和方向判斷是既有聯系又有區別。

1.摩擦力的分類

靜摩擦力：相互接觸的粗糙物體，有相對運動趨勢時，在接觸面上所受的阻礙相對運動趨勢的力。靜摩擦力是被動力，所以靜摩擦力與產生靜摩擦力的外力二力平衡，符合二力平衡條件。

滑動摩擦力：相互接觸的粗糙物體，有相對運動是受到的阻礙相對運動的力。

2.摩擦力的產生條件

（1）相互接觸的物體間存在壓力；

（2）接觸面粗糙；

（3）接觸的物體之間有相對運動（滑動摩擦力）或相對運動的趨勢（靜摩擦力），這三點缺一不可。

3.靜摩擦方向

沿接觸面的切線方向（即產生條件中的彈力的方向垂直），與物體相對運動趨勢（或相對運動）的方向相反。摩擦力作為動力即摩擦力的方向可能和物體的運動方向相同，摩擦力也可能作為阻力即和物體運動方向相反。

說明：研究相對運動時選擇參考系的另一物體不一定是地面，摩擦力阻礙的是物體間的相對運動，其方向不一定與物體的運動（以地面為參考系）方向相反。

4.大小

（1）靜摩擦力大小

①必須明確，靜摩擦力大小不能用滑動摩擦定律計算，只有當靜摩擦力達到最大值時，其最大值一般可認為等于滑動摩擦力，即F■=μF■，最大靜摩擦力，即物體將要開始相對滑動時摩擦力的大小（最大靜摩擦力與正壓力成正比）。

②靜摩擦力的大小要根據物體的受力情況和運動情況共同確定，其可能的取值范圍是：0

說明：靜摩擦力大小跟物體所受的外力、運動狀態有關。在一定條件下，相對運動趨勢越強，靜摩擦力越大，其大小由平衡條件或牛頓定律求解。

（2）滑動摩擦力大小

①在接觸力中，必須先分析彈力，再分析摩擦力。

②只有滑動摩擦力才能用公式F=μF■，滑動摩擦力與正壓力成正比，其中μ為動摩擦因數，與接觸面的材料和粗糙程度有關；F■表示正壓力，不一定等于重力G。

總之，對物體受力分析過程中，分析本文中的三種性質的力，重力一定存在外，其余的從接觸面上分析。在一個接觸面上，可能存在兩個力，一個是與接觸面垂直的彈力，另一個是方向與接觸面平行的摩擦力。當然，彈力和摩擦力到底有還是沒有，還要進一步通過它們的產生條件判斷，并不能憑個人主觀想象。