6.1 怎样认识力

导入

我们在生活中,经常会遇到力的现象,比如运动员举起杠铃,顾客推着购物车……。但我们对有些力现象还是存在很多不正确的认识,比如,船浮在水面上,我们可能会错误地认为这是因为浮力比船重大;我们在拔河比赛中获胜了,我们可能会错误地认为这是因为获胜方的拉力更大;天宫空间站内的物品都失重了,我们可能会错误地认为这是因为物体的重量消失了。

所以,我们要对力的概念要有一个科学的全面的认识。

一、什么是力

运动员举起杠铃,顾客推着购物车,纤夫拉着船。

不难发现,这几个事例中,都是人对物体施加了一种作用(也可称为影响)。作用的方式分别是举、推,拉等等。

于是,我们仿佛可以对力的概念进行定义了,

人对物体的作用叫做力

人为什么能对物体施加力,这是因为肌肉收缩引起的。

但我们有个疑问,除了人能对物体施力外,没有生命的物体是否也能对另一个物体施力呢?

不难发现,当货物压在肩上,我们感到沉重,这说明没有生命的物体也能产生力。

于是,我们有了一个更科学的对力的概念的定义:

力是指一个物体对另一个物体的作用,力的符号是F

能对其他物体产生作用的物体我们都叫做施力物体。无论是否有生命,都能成为施力物体。受到力的物体都叫做受力物体

我们不难发现,有施力物体时,一定就有受力物体。但施力物体和受力物体能不能是同一个物体呢?假如一个人的力气很大,他能不能自己对自己施力,把自己悬空地举在空中呢?显然不可能。这说明施力物体和受力物体一定是不同的物体。

如果施力物体和受力物体是同一个物体,或者说只有一个物体时,是不能产生力的作用的

于是,我们有个结论:力必须发生在两个不同的物体之间的

也许有人质疑,我的手托着腰,试图将自己举起自己时,腰明显感受到了力的作用。虽然没举起,但自己还是可以对自己施力的。

如果说,人的手对腰施力企图将自己举起,那么受力物体不仅仅是腰,而应该是整个人,整个人当然包括施力的手自己。所以,人之所以不能将自己举起,不是因为手不能对身体其他部位施力,而是因为手不能对手施力。手和腰虽都是人的身体的一部分,但不是同一部分,所以手可以对腰产生力的作用的。

需要注意的事,物体之间有力时,不一定需要接触。比如,两个磁铁之间的吸引与排斥是可以不接触的。

如果受力物体不是人,比如,如图6-1-2所示,一个杯子放在海绵上,海绵是受力物体;水流在水车的表面流过,水车是受力物体。那我们如何判断它们真的受到了力的作用呢?

我们发现,海绵有凹陷,水车会转动。

这说明,一个物体若受到了力,它总是会出现一些效果。

海绵受到力而凹陷,这是它的形状发生了改变(形状的改变简称为形变)。

水车转动起来,这是它的运动状态发生了改变。

力的作用效果包括:

  • 力可以使受力物体发生形变
  • 力可以使受力物体的运动状态发生改变

【什么是运动状态的改变和不变?】

运动状态是指运动速度大小和运动方向的统称。运动状态改变是指物体的运动速度大小或运动方向或两者同时发生改变的一种情况。比如,汽车的加速或减速,汽车的拐弯,卫星绕地球转动,这些现象都是运动状态发生改变的例子。

运动状态不变是指物体在一段时间内运动速度不变且运动方向也不变的状态,比如静止状态、或匀速直线运动状态。

 

所以,如果一个物体没有发生形变,也没有发生运动状态的改变,我们就说,这个物体没有受到力。比如,一个铁球挨着墙壁放置。由于铁球并没有使墙壁发生形变,所以,球与墙壁之间并没有产生力。

当然,墙壁不像海绵,容易发生形变。海绵的形变肉眼就能轻易看得出,而墙壁较硬,如果墙壁受到力,也一定会发生形变,只不过形变将非常微小。如果要看到较硬物体的形变,我们一般要采用一些特殊的方法来显示。

二、什么是力的三要素

我们已经发现,通过力的作用效果来认识力比人的感受来认识力更科学。

我们也是通过力的作用效果的不同来认识力的不同。也就是说,如果有两种力,如果它们产生的作用效果不相同,那么这两种力肯定有不同之处。

(1)力的大小

如图6-1-3,小方桌放在海绵上,海绵受到压力而变形,但变形不是很明显;当在小方桌上放一个砝码,海绵的变形明显了很多。

这说明,力是有大小或强弱属性的

为了比较力的大小,需要规定力的单位。力的单位是牛顿,简称牛,符号是N。力的单位是为纪念英国科学家牛顿(Newton),他提出的万有引力定律和牛顿三大定律对物理学影响巨大。

1N的力有多大呢?手托起两个鸡蛋的力约为1N,手拿起一部智能手机的力也约为1N。当拿起一瓶矿泉水的力约为5N。

(2)力的方向

一根弹簧,若向右用10N的力,弹簧被拉长;向左用10N的力,弹簧被压缩。在这个实例中,物体的作用效果之所以不同,并不是力的大小有变化,而是力的方向不同;这说明,力除了有大小的属性,还有方向的属性。

(3)力的作用点


又如,扭螺母时, 在扳手上离螺母越远的位置施力越省力,离近越费力。这说明力作用在物体上的位置不同时,会影响力对物体的作用效果。如图6-1-4中,推开一扇门,如果在门柄的地方往外推门就很轻易会推开门,而若在门的最里侧推门,如果用同样大小的力却很难推开门。在这个实例中,力的大小和方向是一样的,之所以力产生的效果不同,这是因为力作用在物体上的位置是不同的。

我们把力作用在物体上的位置叫做力的作用点。所以,力的作用点也是力的属性之一。

而且我们发现,力的作用点总是在受力物体上。推门时,作用点在门上。扭螺母时,作用点在螺母上。

需要注意的是,一个物体对另一个物体施力时,作用点可能不止一个。比如图6-1-2,小方桌对海绵产生压力时,作用点有四个。当小方桌倒置过来放在海绵上时,整个桌面都在对海绵施加力的作用,并没有明确的某个作用点。

所以,为了研究力的现象的方便性,我们通常会设定了一个力的作用点,其实是力的等效作用点(力的作用效果相同)而已。

所以,对于小方桌而言,一旦桌面的面积发生改变,小方桌对海绵的压力的等效作用点很可能也会发生改变。

还有一个现象要注意的是,当两个互不接触的磁铁对小铁钉产生吸引力时,吸引力的作用点在小铁钉的什么部位上呢?

我们知道,当磁铁对小铁钉有吸引力时,磁铁对小铁钉的所有部分都会产生吸引力。也就是说,这种吸引力不是只作用在小铁钉的某个部位上,吸引力并没有明确的作用点。所以,同样的,为了研究问题的方便性,我们也设定一个等效作用点,让整个铁钉受到的吸引力看成只有等效作用点受到了吸引力。

既然等效作用点不是真实的,所以等效作用点有可能不在物体上。比如,磁铁吸引一个空心的铁螺母,作用点就不在物体上,而是在螺母的空心部分的中心上。

至此,我们发现,力具有三种属性,或者说力有三个要素,分别是力的大小、力的方向、力的作用点。它们都能影响力的作用效果。

 

三、力的作用是相互的

现在,我们已经知道了力有三要素,所以,我们可以总结出一些有关力的规律了。

如图6-1-6,当我们提水桶时,手对水桶有向上的提力作用,水桶给我们手也有一个向下的拉力。这说明力的作用是相互的。所以,我们将提力与拉力称为是一对相互作用力。

当我们对水桶不施加提力时,水桶对人手的拉力也会立即消失。这说明这两个力是同时存在的,即同时产生,同时消失。

手和水桶既是施力物体,同时也是受力物体。这说明,一个物体,如果是施力物体,那么它一定也是受力物体。

我们再看图中,尺子压着一个气球,气球的顶部变扁了一些,说明气球受到了尺子施加的压力。 同时尺子变弯了,这说明尺子也受到了气球对尺子施加的支持力。

这个事例也说明了力的作用的确是相互的。

生活中还有很多这样的实例,比如,马拉车,车其实同时也在拉马。杯子放在桌面上时,杯子对桌面有向下的压力,桌面对杯子也有向上的支持力……


很多时候,我们要利用力的作用是相互的道理来工作。如图6-1-7,我们划船时,船桨划的是水,船却前进了。这是为什么呢?这是因为,当船桨对水施加向后的力时,水就会对桨施加向前的力,由于桨和船连在一起,所以船就会向前了。


所以,在这个事例中,我们利用的不是桨对水的力,而是利用了水对桨的力。如果桨对水的力称为“作用力”,那么,我们把水对桨的力称为“反作用力”。

利用反作用力的工作的,都是在利用力的作用是相互的规律。

又如,火箭升空时,火箭总是向下喷出燃气。要知道,当火箭对燃气施加向下的力时,燃气也会对火箭施加向上的升力,正是这个升力使得火箭能升入太空。所以,火箭升空也是利用了力的作用是相互的。

再如,人走路时,人的脚对路面有向后的力,根据力的作用是相互的,路面对人的脚有向前的力,所以人能够在路面上正常前行。如果在光滑的冰面上,一旦人脚不能对冰面施加向后的力,那么人也不会获得向前的力,那么人只能停留在原地。所以,人在路面上走路也是利用了力的作用是相互的。

本节内容小结

1、力的定义

力是指一个物体对另一个物体的作用,力的符号是F。

2力的三要素

力的三要素是指力的大小、力的方向、力的作用点。它们都能影响力的作用效果。

3、力的作用是相互的

划船、火箭升空、走路都是利用力的作用是相互的。

 

课后习题:

1、如图所示,两只小船静止在水面上,右边的小船上的人用力撑开左边的那一只小船,我们看到的现象是_________(选填“左边的船先运动”,“右边的船先运动”或“两船同时运动”),船运动了说明了力可以改变物体_______________。

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