“相互作用”重難點分析與學法指導

邵偉紅

“相互作用”是整個高中物理學習的基礎，無論是從知識點的角度還是從方法論的角度來看，都顯得非常重要。

《2016年江蘇省普通高中學業水平測試（必修科目）說明》中對“相互作用”這一章的知識點要求為“力”（A）、“重力”（A）、“形變與彈力”（A）、“滑動摩擦力靜摩擦力”（A）、“力的合成與分解”（B）、“共點力作用下物體的平衡”（A）、“探究、實驗：力的合成的平行四邊形定則”（A）；《2016年江蘇省普通高中學業水平測試（選修科目）說明》中對“相互作用”這一章的知識點要求為“形變和彈力胡克定律”（Ⅰ）、“靜摩擦滑動摩擦摩擦力動摩擦因數”（Ⅰ）、“力的合成和分解”（Ⅱ）、“共點力的平衡”（Ⅰ）、“實驗：力的平行四邊形定則”（必考內容），并且補充說明“力的合成和分解的計算，只限于用作圖法或直角三角形知識求解”、“只要求解決在一個平面內的共點力平衡問題”。

為使大家更好地學習本章，現對本章的重難點知識與學法指導進行梳理和分析。

一、基本相互作用

1.力和力的圖示

（1）力是物體與物體間的相互作用。

（2）力的作用效果：使物體發生形變（改變物體的形狀或體積）、改變物體的運動狀態（力是產生加速度的原因）。

（3）力有四性：物質性、相互性、矢量性和獨立性。

（4）力的三要素：大小、方向、作用點。

（5）力的圖示：用一根帶箭頭的線段來表示力的三要素，這種方法叫力的圖示。

（6）力的示意圖：只畫出力的作用點和方向，表示物體在這個方向上受到了力（如果物體受力不止一個，作圖時最好將力的大小關系正確表示出來）。在物體的受力分析中常用到力的示意圖。

2.力的分類

（1）根據力的性質分類，如重力、彈力、摩擦力等；

（2）根據力的作用效果分類，如動力、阻力、壓力等。

3.四種基本的相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用。

二、重力

1.重力的定義、大小和方向：由于地球的吸引而使物體受到的力叫重力，重力一般小于地球對物體的吸引力；重力的大小為G=mg，其中g為自由落體加速度（又稱重力加速度），通常取g=9.8 m/s²（粗略時常取g=10 m/s²）；物體重力隨地球緯度的增加而增加，隨高度的增加而減小，在地面附近不太大的范圍內，一般認為物體的重力大小不變；不論物體是處于失重狀態還是超重狀態，物體的重力大小都不變；重力的方向豎直向下。

2.重心：一個物體各部分都受到重力作用，從效果上看，可以認為各部分所受重力的作用都集中于一點，該點稱為物體的重心；物體的重心可以在物體上，也可以不在物體上；對質量分布均勻、形狀規則的物體，重心位于物體的幾何中心；尋找物體的重心常采用懸掛法。

三、彈力

1.形變

（1）形變是指物體在力的作用下發生的形狀或體積的改變；彈性形變是指物體能夠恢復原狀的形變。常見的彈性形變有三種，分別為拉伸形變、彎曲形變、扭轉形變。

（2）彈性限度：若物體形變過大，超過一定限度，則撤去作用力后，物體不能完全恢復原來的形狀，這個限度叫彈性限度。

對于微小形變，常用放大法將其顯現。

2.彈力

（1）彈力的概念：發生彈性形變的物體，由于要恢復原狀而對與它接觸且使它發生形變的物體產生力的作用，這種力叫彈力。

（2）彈力的產生必須滿足兩個條件：一是兩物體直接接觸；二是物體發生彈性形變。

（3）彈力的大小：彈力大小跟形變大小有關，形變越大，彈力越大；對于輕繩、輕彈簧內部各處彈力大小相等；除彈簧的彈力可由胡克定律計算外，物體所受彈力的大小一般通過對物體受力分析和物體所處運動狀態的分析求得；彈力的方向總是與作用在物體上使物體發生形變的外力方向相反。

（4）彈力的方向：彈力方向的判斷是本章學習的一個難點，具體判斷時可分為以下幾種：

①壓力和支持力：垂直于接觸面指向被擠壓或被支持的物體。若接觸面為平面與平面或平面與曲面，彈力方向垂直于平面；若接觸面為曲面與曲面，彈力方向垂直于曲面所處的切平面；若接觸面為點和平面，彈力方向垂直于平面；若接觸面為點和曲面，彈力方向垂直于曲面的切平面。

②繩的拉力：沿繩指向繩收縮的方向。

③彈簧的彈力：沿彈簧的軸線指向彈簧恢復原長的方向。

④桿的彈力：很多同學都認為桿的彈力一定沿桿，這是不對的，判斷桿的彈力方向應視具體實際而定；對于可轉動的桿，一般認為彈力方向沿桿方向。

（5）彈力有無的判斷方法主要有兩種：分別為假設法（假設物體受彈力或不受彈力，根據物體運動狀態是否改變進行判斷）和移物法（將與物體接觸的另一物體移開，根據物體能否繼續在該位置保持原來的狀態進行判斷）。

（4）胡克定律：在彈簧的彈性限度內，F=kx，其中k為彈簧的勁度系數，x為彈簧的形變量（這一點在學習時特別需要注意）。

四、摩擦力

1.摩擦力的定義：兩個相互接觸的物體，當它們發生相對運動或具有相對運動趨勢時，就會在接觸面上產生阻礙相對運動或相對運動趨勢的力，這種力叫摩擦力。

2.摩擦力的產生必須滿足三個條件：一是要有彈力，二是接觸面要粗糙，三是要有相對運動或相對運動的趨勢。

3.摩擦力可分為靜摩擦、滑動摩擦和滾動摩擦三種（高中主要研究靜摩擦和滑動摩擦）。

4.靜摩擦力有無的判斷可采用假設法（假設物體間有或無靜摩擦力，通過分析物體運動狀態是否會因此發生改變來判斷）。

5.摩擦力的方向總是跟接觸面相切，并且跟物體相對運動或相對運動趨勢的方向相反。

6.摩擦力的大小

（1）靜摩擦力與最大靜摩擦力

①靜摩擦力的最大值叫最大靜摩擦力。

②靜摩擦力的大小與正壓力無關，最大靜摩擦力的大小一般與正壓力成正比。

③最大靜摩擦力一般比滑動摩擦力稍大些，為了方便，常取二者相等。

（2）滑動摩擦力的大小：F_f=μF_N，其中μ為動摩擦因數，它只與接觸面的材料、粗糙程度有關，F_N為正壓力。

（3）滾動摩擦：壓力相同時，滾動摩擦比滑動摩擦小很多。

7.正確認識摩擦力：摩擦力既可充當阻力也可充當動力；運動的物體可受靜摩擦力，靜止的物體可受滑動摩擦力；滑動摩擦力的方向可與運動方向相同，也可與運動方向相反；靜摩擦力的方向可以與運動方向不在一條直線上，兩方向甚至可以相互垂直。很多同學在計算滑動摩擦力時，常將物體的重力當作壓力處理，這是一個不好的習慣，因為在很多情況下，壓力的大小并不等于物體重力的大小。

五、力的合成

1.合力與分力：當一個物體受到幾個力的共同作用時，常可求出這樣一個力，這個力產生的效果跟原來幾個力的共同作用效果相同，這個力就叫做那幾個力的合力，原來的幾個力叫做分力。

2.力的合成：求幾個力的合力的過程或方法叫力的合成；兩個力合成時，以表示這兩個力的線段為鄰邊作平行四邊形，這兩個鄰邊之間的對角線就代表合力的大小和方向（力的平行四邊形定則）。

（3）求合力的常用方法有圖解法（按照力的圖示的要求，通過作力的平行四邊形，利用圖形求解）和解析法（運用相關幾何知識或正交分解法計算求解）。

3.合力與分力的關系：兩分力間夾角越大，合力就越小；合力大小可能大于任一分力，也可能小于任一分力；可能大于一個分力小于另一個分力，也可能等于某一分力。

（1）兩分力同向，合力最大，F=F₁+R₂；

（2）兩分力反向，合力最小，F=|F₁-F₂|，方向與較大的一個分力的方向相同；

（3）合力的取值范圍：|F₁-F₂|≤F≤F₂+F₂。

4.共點力：一個物體受到的力作用于物體上的同一點或者它們的作用線（延長線）交于一點，這樣的一組力叫做共點力；共點力的合成遵循平行四邊形定則，非共點力不能用平行四邊形定則。

六、力的分解

1.力的分解是求一個力的分力，它是力的合成的逆運算，同樣遵循平行四邊形定則。

2.力的分解的原則：一般按照力的作用效果進行分解。

3.將一個已知力分解為兩個分力

（1）已知兩個分力的方向，則兩分力有唯一確定的解；

（2）已知兩個分力的大小，則兩分力可能有兩組解，可能有一組解，也可能無解；

（3）已知一個分力的大小和方向，則另一個分力有唯一確定的值；

（4）已知一個分力的大小和另一分力的方向，則兩分力可能有兩解，也可能有一解，也可能無解。

七、受力分析

1.受力分析是整個物理學的基礎，受力分析中分析的是物體受到的力，這里的力應指性質力而非效果力，受力分析一定要結合物體的運動狀態來進行。

2.若以兩個或兩個以上物體組成系統作為研究對象，一般分析外界對系統的作用力（外力）而非系統內物體間的相互作用力（內力）。

3.受力分析的常用方法

（1）整體法：將幾個物體組成一個系統，將系統內任一物體所受外部作用力視為整個系統所受作用力進行分析。

（2）隔離法：將受力物體從系統中隔離出來，分析系統外物體和系統內其他物體對該物體的作用力。

（3）進行受力分析時一般將整體法和隔離法結合使用。

4.受力分析的步驟

（1）選擇研究對象（這是非常重要的一步），確定分析方法（整體法或隔離法）。

（2）按重力、彈力、摩擦力、其他力的順序分析受力。

（3）確定解題思路（圖解法——一般用于定性分析或解析法——一般用于定量計算）；

（4）正確分析求解.

八、實驗探究力的平行四邊形定則

1.實驗原理

用互成角度的兩個力與單一力產生相同的效果，若用平行四邊形定則作圖求得的兩個力的合力與單一力在實驗允許的誤差范圍內相同，則驗證了平行四邊形定則。

2.實驗注意事項

（1）實驗中所說的相同效果是指使橡皮條在某一方向上伸長到某一長度。

（2）使用彈簧測力計時，應減小彈簧與外殼的摩擦。

（3）實驗中應正確記錄結點位置、彈簧測力計的示數和細繩套的方向。

（4）使用彈簧測力計時應使彈簧測力計與木板平面平行。

（5）作力的平行四邊形時應注意選擇同一標度。