师:同学们好,欢迎收看物理线上课堂。今天我们一起来学习受力分析。先看学习目标,希望通过今天的学习,大家能掌握对物体进行受力分析的方法,并通过对物体进行受力分析,结合其运动状态判断力的大小。
之前几节课,我们学习了常见的几种力,分别是重力、弹力、摩擦力。平常学习或生活中,常遇到与这几种力有关的力学问题,解决这些力学问题的关键就是对物体进行受力分析。所以本节课,我们就一起来体会如何通过对物体进行受力分析,解决遇到的力学问题。
下面先看问题一。如图甲所示,用大小为5牛水平向右的力f将重3牛的木块压在竖直墙壁上,木块沿竖直墙壁下滑,木块在下滑过程中所受到的摩擦力大小为多少?A. 5牛;B. 3牛;C. 0牛;D. 无法判断。
我们来看小华同学是如何分析的。木块在沿着竖直墙壁下滑的过程中,受到竖直向下的重力、竖直向上的摩擦力、水平向左的支持力、水平向右的力f,总共四个力的作用。因为木块沿墙壁匀速下滑,所以木块受力平衡,在竖直方向上,摩擦力的大小等于重力的大小,等于3牛,所以答案选B。
大家看,这是小华同学的分析结果。首先,小华同学所画的受力示意图是正确的,木块在下落过程中共受到了4个力的作用。其次,小华同学提到木块是在做匀速直线运动,但回到题目,其中并没有匀速直线运动这一条件,所以小华同学对木块的这一分析是不正确的。
在初中阶段,判断力的大小只有两种方法。第一种是根据力的大小计算公式进行计算,目前我们掌握的只有重力大小的计算公式,G = m×g。而题目要判断的是摩擦力的大小,所以只能通过另一种方法,就是通过对物体进行受力分析,然后结合它的运动状态。若物体是在做匀速直线运动或静止,就可以通过受力平衡来判断出对应的力的大小。根据题目所提供的信息,我们无法判断木块所受的摩擦力大小,所以本题的答案是D选项。
回想一下,小华同学在对木块进行受力分析时,是按重力、摩擦力、支持力、f的顺序来画出力的示意图的,大家是不是也这样画的呢?在对物体进行受力分析时,这个顺序有什么需要注意的呢?关于这个问题,我们暂时先不做讨论。接下来看第二个题目。
如图甲所示,用大小为5牛水平向右的力f将重3牛的木块压在竖直墙壁上,木块沿竖直墙壁下滑。若在木块下滑过程中的某个时刻撤去力f,如图乙所示,木块继续沿墙壁向下滑,请判断撤去力f后木块所受的摩擦力大小。
继续来看小华同学是如何分析的。撤去力f后,木块受到竖直向下的重力、竖直向上的摩擦力、水平向左的支持力,共三个力作用。从题目描述中,无法判断木块是否匀速运动,因此无法判断摩擦力的大小是否等于重力。
大家发现,这次分析过程中,小华依然是按照重力、摩擦力、弹力这样的顺序来对物体进行受力分析。小华同学所画的力的示意图正确吗?他又是以什么作为依据来画出这些力的呢?来听一听小华同学的想法。
师:请问你画出摩擦力的依据是什么?
生:因为木块受到了竖直向下的重力,所以应该会有竖直向上的力,在这里只能是摩擦力啦。
师:请问你画出弹力的依据是什么?你是如何确定木块与墙壁有挤压的?
生:其实我也不确定木块与墙壁是否存在挤压,但是木块既然受到了摩擦力,那就应该会受到支持力。
听完小华同学的想法,发现存在两个问题。首先,小华同学认为木块受到竖直向下的重力,就一定要有一个竖直向上的力,再去考虑这个力是否是摩擦力,这是不对的。对物体进行受力分析时,应该按照力的产生条件去判断存在什么力,然后再把力画出来,而不是先画出一个力,再去考虑它是什么力。
第二个问题,小华同学画弹力时不是按照力的产生条件,而是根据木块受到了摩擦力,利用存在摩擦力推出应该存在支持力,这也是不对的。看看滑动摩擦力的产生条件,两物体相互接触且挤压,这意味着在判断有没有摩擦力之前,要先判断是否存在弹力,所以弹力是摩擦力的一个前提条件。因此,对物体进行受力分析时,不应该根据摩擦力来判断弹力的存在,这不符合逻辑顺序。
所以根据力的产生条件,对物体进行受力分析时,应该按照一定顺序。先画出重力,因为地球周围的物体都会受到重力,它不像弹力或摩擦力那样受其他条件限制。然后寻找与受力物体相接触的其他物体,在接触面上分析是否存在弹性形变,再判断是否有弹力及其方向。在有弹力的接触面上,再分析是否粗糙,是否发生相对运动,进而判断有没有摩擦力及其方向。
