中學(xué)物理受力分析中常見(jiàn)的錯(cuò)誤及其糾正方法

陳開(kāi)福

（南安市實(shí)驗(yàn)中學(xué)，福建 南安 362300）

物體之所以處在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，是因?yàn)槲矬w的受力情況不同。要研究物體的運(yùn)動(dòng)，就得分析物體受力的情況。如何正確對(duì)物體受力分析，是研究力學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵，是應(yīng)該掌握的基本功，也是正確分析與解決力學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵所在。［1］怎樣正確分析物體受力情況呢？我們必須著重于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力。分析物體的受力，就得正確分析周?chē)矬w對(duì)研究對(duì)象所施加的力，分析所有作用力的大小、方向和作用點(diǎn)。在地球上的所有物體都受到地心引力，地面上的物體必定受到地球施加的重力，一般說(shuō)來(lái)，與研究對(duì)象不相接觸的物體可能對(duì)它施加磁場(chǎng)力、電場(chǎng)力；與研究對(duì)象相接觸的物體可能對(duì)它施加彈力（如拉力、推力、壓力、支持力）和摩擦力。所以，我們要看被研究對(duì)象同它周?chē)哪男┪矬w有關(guān)聯(lián)，從而判斷可能有哪些力存在。下面就針對(duì)中學(xué)物理受力分析中常見(jiàn)的一些錯(cuò)誤來(lái)分析。

一、錯(cuò)畫(huà)力

科學(xué)概念是抽象的，為了使抽象的概念便于理解表述和交流，人們常用一些形象直觀的圖樣或者模型去表現(xiàn)它們。力的示意圖就是一種形象直觀表示力的方法。中學(xué)物理中，畫(huà)力的示意圖是學(xué)習(xí)物理的重要方法和技能，為了認(rèn)識(shí)一個(gè)力，就要知道這個(gè)力的三要素大小、方向、作用點(diǎn)。但教材上從初中學(xué)生實(shí)際出發(fā)，降低了有關(guān)計(jì)算，作圖方面的難度，造成學(xué)生對(duì)力的三個(gè)要素不是太理解。在進(jìn)行受力分析時(shí)，經(jīng)常會(huì)把力的示意圖畫(huà)錯(cuò)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.把力的大小畫(huà)錯(cuò)

2.把力的方向畫(huà)錯(cuò)

3.把作用點(diǎn)畫(huà)錯(cuò)

例1 物體放在水平桌面上，受到一個(gè)與水平方向成30°角的斜向下的30N 右推力，將這個(gè)力的圖示畫(huà)出。

圖1 —錯(cuò)誤

圖2 —錯(cuò)誤

［分析］圖1 力的大小畫(huà)錯(cuò)了；圖2 力的方向錯(cuò)了；正確的如圖3 所示，如果被考慮的物體可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)看待，我們就在物體上標(biāo)一點(diǎn)，并以這點(diǎn)作為力的作用點(diǎn)。常見(jiàn)的錯(cuò)誤還有把物體受力的作用點(diǎn)畫(huà)在桌面上。

例2 物體放在水平地面上，把物體對(duì)地面的壓力畫(huà)出。

圖1 —錯(cuò)誤

圖2 —正確

［分析］圖1 是力的作用點(diǎn)畫(huà)錯(cuò)，主要原因是錯(cuò)把一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體的壓力與重力混淆起來(lái)，認(rèn)為壓力就是重力，這是初學(xué)力學(xué)者常犯的一個(gè)錯(cuò)誤。作用點(diǎn)要確定在受力物體上，壓力是垂直作用在物體表面的力，方向總是垂直指向被變壓物體。重力的作用點(diǎn)在重心，方向總是豎直向下。

［糾正方法］必須嚴(yán)格按照作圖要求畫(huà)出力的大小、方向、作用點(diǎn)，必須明確研究對(duì)象。通常從周?chē)矬w中把研究對(duì)象隔離開(kāi)來(lái)，畫(huà)出簡(jiǎn)圖，只要畫(huà)出其他的物體對(duì)它的作用力，凡是此物體所受之力，必須弄清方向，并標(biāo)在圖上。而此物體對(duì)別的物體的作用力不能畫(huà)在研究對(duì)象上。畫(huà)受力圖時(shí)要求清楚，要正確畫(huà)出各力的方向，如彈力的方向要與接觸面垂直指向施力物體恢復(fù)原形的方向。摩擦力的方向總是在接觸面的切線(xiàn)方向，與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反。［2］

二、多畫(huà)力

在進(jìn)行受力分析時(shí)，只分析物體受到的力，不能把研究對(duì)象以外的物體受到的力也畫(huà)在受力圖上。學(xué)生多畫(huà)力主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.研究對(duì)象不明，將作用于其他物體的力劃歸自己；

2.虛構(gòu)和臆造力，把不存在的力多畫(huà)入；

3.同時(shí)考慮合力和分力對(duì)物體作用，將合力或分力重復(fù)畫(huà)入。［3］

例3 物體A 沿光滑斜面下滑，畫(huà)出物體的受力情況。

圖1 錯(cuò)誤受力分析

圖2 錯(cuò)誤受力分析

圖3 正確受力分析

［分析］圖1 學(xué)生認(rèn)為物體要下滑，應(yīng)該受到一個(gè)沿斜面向下的力，虛構(gòu)了一個(gè)沿斜面向下的“下滑力”。物體受到力的作用時(shí)，肯定能找到這些力的施力物體，沒(méi)有施力物體的力是不存在的。下滑力無(wú)施力物體，所以它是臆造出來(lái)的。圖2 多把物體對(duì)斜面的壓力畫(huà)入。

例4 豎直向上拋出一小球，對(duì)其受力分析。

圖1 錯(cuò)誤受力分析

圖2 正確受力分析

［分析］圖1 錯(cuò)誤地多畫(huà)了一個(gè)向上的拋力，以為物體運(yùn)動(dòng)是靠力來(lái)維持。石塊之所以保持原來(lái)向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不是在上升的過(guò)程中仍受到一個(gè)向上的拋力，而是由于慣性。再例如：足球踢出去后在草地上向前滾動(dòng)，它受到重力、支持力和摩擦阻力的作用，而沒(méi)有踢球的力，踢球的力只在人腳與球接觸的瞬間才有。

例5 分析在真空中沿弧線(xiàn)擺動(dòng)的小球A 的受力情況，指出其中的作用力和反作用力

圖1 —錯(cuò)誤

圖2 —正確

［分析］圖1 錯(cuò)誤的增加了一個(gè)向擺動(dòng)方向的“擺動(dòng)力”；圖2 擺球上受到重力G 和繩子的彈力T 的作用，T 和T′是一對(duì)作用力與反作用力。不過(guò)值得注意的是，當(dāng)擺球處在A 位置時(shí)，作用在擺球上的兩個(gè)力——G、T 方向不一致，不可能平衡。G 和T 的合力指向平衡位置，使擺球從A 位置向平衡位置運(yùn)動(dòng)。可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤是錯(cuò)將G、T 當(dāng)成一對(duì)作用力與反作用力。

［糾正方法］要防止多畫(huà)力應(yīng)該先徹底隔離研究對(duì)象，畫(huà)每一個(gè)力時(shí)應(yīng)心里默念受力物體與施力物體。為了防止多添某些力，必須著重指出力的物質(zhì)性，一個(gè)物體受到力的作用，必然要知道這個(gè)力的施力物體。當(dāng)需要將重力分解成分力時(shí)，要注意不能把重力的分力和重力本身重復(fù)計(jì)算。對(duì)力進(jìn)行合成分解時(shí)，合力與分力是“等效替代”的關(guān)系，合力與分力不可同時(shí)存在。在分析物體受力情況時(shí)，如果已經(jīng)考慮某個(gè)力，那么就不需要再考慮它的分力。在分析物體是否受彈力和摩擦力的作用時(shí)，要從接觸物體去尋找，看在接觸處是否相對(duì)滑動(dòng)（或運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)）從而判斷有無(wú)摩擦力。另外還必須明確研究對(duì)象。

三、少畫(huà)力

在進(jìn)行受力分析時(shí)，遺漏某些力的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。究其原因是對(duì)力的產(chǎn)生條件、方向的判斷方法不夠熟悉，同時(shí)不明白物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與力之間的聯(lián)系。學(xué)生對(duì)物理基礎(chǔ)知識(shí)掌握不全，綜合分析能力缺乏，影響了受力分析準(zhǔn)確性和全面性。少畫(huà)力通常是受力分析過(guò)程混亂所造成的。

例6 畫(huà)出跳傘運(yùn)動(dòng)員勻速下落時(shí)的受力圖。

圖1 —錯(cuò)誤

圖2 —正確

［分析］圖1 少畫(huà)了一個(gè)向上的空氣阻力，因是勻速下落，根據(jù)二力平衡的條件，降落傘所受到的合力為零，受到一個(gè)向下的重力，必然受到一個(gè)向上的空氣阻力，二力是作用在同一物體、同一直線(xiàn)上、大小相等、方向相反，是一對(duì)平衡力。

例7 梯子A 斜靠在豎直光滑墻壁和粗糙水平地面上，對(duì)其受力分析。

圖1 —錯(cuò)誤

圖2 —正確

［分析］圖1 多畫(huà)了墻壁對(duì)梯子向上的摩擦力，少畫(huà)了地面對(duì)梯子向左的摩擦力。題目的隱含條件是豎直光滑的墻壁，梯子與墻壁接觸且擠壓，因此有彈力無(wú)摩擦力。在判斷地面對(duì)梯子的摩擦力方向時(shí)，可以先假設(shè)地面是光滑的，再判斷梯子下端對(duì)地面可能的運(yùn)動(dòng)方向，然后確定摩擦力的方向。受力分析時(shí)，當(dāng)不明確一個(gè)力是否存在時(shí)，可以通過(guò)這一個(gè)力的產(chǎn)生條件（或假設(shè)法）來(lái)判斷它是否存在。例如，站在超市自動(dòng)扶梯的乘客，勻速向上的過(guò)程中有沒(méi)有受到摩擦力的問(wèn)題，可以假設(shè)乘客有受到摩擦力的作用，那么人在向上勻速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到平衡力的作用，此時(shí)必定有一個(gè)拉力和摩擦力相互平衡，然而并沒(méi)有拉力的存在，所以根本沒(méi)有存在向后的摩擦力。

例8 用力F 將物塊按在墻壁上，物塊沿著墻壁勻速下滑，畫(huà)出物塊的受力情況。

圖1 —錯(cuò)誤

圖2 —錯(cuò)誤

圖3 —正確

［分析］圖1 只考慮水平方向的受力情況，卻忽略了豎直方向還有受力。圖2 雖然考慮到豎直方向上受到了向下重力，但是忽略了物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。物體由于勻速下滑，根據(jù)受力平衡，它必定還要受到一個(gè)豎直向上的摩擦力。

［糾正方法］為了避免漏掉某些力，一定要養(yǎng)成按步驟分析，條理清晰。初中階段，主要初步學(xué)習(xí)了重力、彈力（包括壓力、拉力、支持力、浮力等）、摩擦力（包括滑動(dòng)摩擦力、靜摩擦力、滾動(dòng)摩擦力）。在進(jìn)行受力分析時(shí)，可以按以下順序來(lái)考慮：1.畫(huà)重力，地球上的所有的物體都受到重力的作用，所以應(yīng)該先考慮重力，把重力的作用點(diǎn)畫(huà)在重心上；2.畫(huà)彈力，繞研究對(duì)象順時(shí)針（或逆時(shí)針）查看一周，看看物體與哪些物體接觸，如果有接觸且擠壓則物體受到彈力的作用；3.畫(huà)摩擦力，如果接觸面上有擠壓，且接觸面粗糙，通過(guò)判斷物體有無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)（或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)），來(lái)確定物體是否受到滑動(dòng)摩擦力（或靜摩擦力）和空氣阻力；4.畫(huà)其他力，考慮物體是否受到牽引力，電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力作用，如果有則要畫(huà)出力。筆者為了方便學(xué)生記憶就受力分析進(jìn)行如下總結(jié)，確定研究對(duì)象后，按照“一重力，二彈力，三摩擦力，四其他外力”的分析步驟，一步一步地去進(jìn)行分析。［4］用質(zhì)點(diǎn)表示物體，在中學(xué)階段，所學(xué)力學(xué)，主要是質(zhì)點(diǎn)力學(xué)，是共點(diǎn)力系或平動(dòng)等特殊情況，所以可把物體當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)看待，可以把物體受到的各個(gè)力畫(huà)在一點(diǎn)上。物體在光滑的平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力為零，并且在水平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，豎直方向上受到的力總是互相平衡的。

畫(huà)好受力圖后必須進(jìn)行檢查，檢查一下畫(huà)出的所有力可否找到它的施力物體，如果無(wú)施力物體，則此力必然不存在。尤其要檢查一下受力結(jié)果，是否使研究對(duì)象處在題中所給的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，先假設(shè)不存在這力，觀察研究對(duì)象的物體會(huì)有什么樣的運(yùn)動(dòng)，然后查看這個(gè)力應(yīng)在什么方向，對(duì)象才能滿(mǎn)足題中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

綜上，為了防止受力分析中常見(jiàn)的這些錯(cuò)誤，要注意下列問(wèn)題：1.必須明確研究對(duì)象；2.畫(huà)好一個(gè)力應(yīng)心里默念受力物體與施力物體；3.要養(yǎng)成按步驟分析的習(xí)慣，不能遺漏某些力；4.用質(zhì)點(diǎn)表示物體。5.畫(huà)受力圖時(shí)要求清楚，畫(huà)好受力圖后要做一番檢查。