在确定了研究对象之后,就要对研究对象进行受力分析.
预备知识:
状态分类:
①平衡态②动力态(非平衡态)
力的分类:(十大性质力)
①重力②万有引力③静电力(或库仑力)④电场力⑤安培力⑥洛伦兹力⑦弹力⑧摩擦力⑨分子力⑩核力
☞重力不是万有引力,电场力包括静电力(或库仑力).
☞重力、万有引力、静电力(或库仑力)、电场力、安培力、洛伦兹力,这6种力是场力;弹力、摩擦力这2种是接触力;分子力、核力这2种是粒子力.
一、受力分析的常用顺序
1.习惯性顺口溜
一重二弹三摩擦四其它
重力一定有,弹力看四周,摩擦分动静,方向要判准,其它看情形.
弹力和摩擦力都是接触力,环绕研究对象一周,看研究对象与其他物体有几个接触面(点),每个接触面对研究对象可能有两个接触力(弹力和摩擦力),应根据弹力和摩擦力的产生条件逐一分析.
2.按主动与被动
主动力与被动力:
①主动力:能够自主产生,处于主动地位,mg,kx(弹簧弹力),μFN(滑动摩擦力),浮力(ρgv)等;大小、方向都可以在具体情景中确定,提供不变型;
特点:大小、方向一般都不随外界力或运动状态变化而变化
求解方法:公式法;
②被动力:大小、方向随环境变化而变化,没有自己独立自主的大小和方向,处于被动地位,面、绳、杆的弹力,静摩擦力等;
特点:大小、方向都随外界力和运动状态的变化而变化;在大的约束条件下,可有可无,可以是正方向也可以是负方向,根据需求关系来提供力.
常见约束条件:压力支持力与面垂直,摩擦力与面平行,铰链的弹力只能沿杆,轻绳拉力只能沿绳.
求解方法:假设法、运动状态反推法.
假设法研究被动力(面绳杆弹力、静摩擦力);先对不确定的被动力(面绳杆的弹力、静摩擦力)的有无、方向做出假设,再根据题意进行验证.
运动状态反推法(已知运动反推受力);F与a、△v具有因果关系、矢量关系.
3.先已知力后未知力
先把明确了的力画出来,后根据平衡条件或牛顿第二定律计算推理,求出未知力.
二、弹力的分析
弹力是被动力,不确定力(弹簧弹力是主动弹力),要根据平衡条件或者牛顿第二定律计算反推大小和方向,弹力方向也可根据接触类型和接触方式确定.
☞主动用公式,被动看状态.
三、摩擦力的分析
1.有弹力、接触面粗糙、有相对运动或相对运动趋势就一定有摩擦力(摩擦力的三个条件).
2.物体和接触面有相对运动(速度不一样)的是滑动摩擦力,滑动摩擦力是主动力,方向与相对运动方向相反,与接触面相切,与弹力方向垂直,大小根据公式f=μFN计算,注意正压力不是重力,若f=μmg只是巧合而已.
3.物体和接触面相对静止(速度一样),但又有相对运动趋势的是静摩擦力,静摩擦力是被动力,方向与相对运动趋势方向相反,与接触面相切,与弹力方向垂直,相对运动趋势方向是很难判断的,具体要根据平衡条件或牛顿第二定律反推大小和方向.
☞动摩用公式,静摩看状态.
四、受力分析要注意的问题
1.不能施力分析
注意只分析研究对象所受的力,不分析研究对象对其它物体所施的力.例如所研究的物体是A,那么只能分析“甲对A”、“乙对A”’、“丙对A”……的力,而不能分析“A对甲”、“A对乙”、“A对丙”……的力.
图:对斜面上物体分析压力
2.力不能传递
也不要把作用在其它物体上的力错误地认为通过“力的传递”作用在研究对象上.例如:
A、B两物体并排放在水平面上,现用以水平恒力F推物体A,A、B两物体一块运动。B物体只受重力mg、地面的支持力FN、A物体对它的推力N和地面对它的摩擦力f.而不存在推力F,不能认为F通过物体A传递给了B.能量可以传递,液体压强可以传递.
3.不能有无中生有的力
每个力都有施力物体,找不到施力物体的力是不存在的,有的效果可能是分力产生的.
例如:斜面上的物体有沿斜面向下运动效果,认为有一个所谓的“下滑力”,实际为重力沿斜面向下的分力.
图:所谓的下滑力
4.合力和分力不能重复
注意合力和分力不能同时作为物体所受的力.
例如:质量为m的物体静止在倾角为θ的斜面上时,受到重力mg、斜面对它支持力N和摩擦力f三个力的作用;不能认为物体受到重力mg、斜面对它支持力N和摩擦力f以及mgsinθ、mgcosθ五个力的作用.mgsinθ、mgcosθ只是重力沿斜面和垂直斜面的两个分力.
5.性质力和效果力不能重复
注意只分析根据性质命名的力(场力、弹力、摩擦力等),不分析根据效果命名的力(向心力、下滑力、回复力等)。例如:汽车在水平路面转弯,静摩擦力充当向心力,不能认为受静摩擦力和向心力作用;天体运动,万有引力充当向心力;单摆在摆动过程中只受重力和绳子的拉力两个力,重力和绳子的拉力的合力充当回复力,不能认为受到重力和绳子的拉力以及回复力三个力作用.
6.弹力和摩擦力关系
静摩擦力大小与弹力无关;最大静摩擦力大小与弹力成正比;滑动摩擦力大小与弹力成正比;静摩擦力和滑动摩擦力都与弹力垂直,与接触面相切.
有摩擦力一定有弹力,有弹力不一定有摩擦力,摩擦力建立在弹力基础上,无弹力不摩擦.
7.整体和隔离
研究对象为整体时,不需考虑内力.
8.质量和重力
重力不计并不是质量不计.在电磁场中,基本粒子重力往往不计,而质量不能忽略不计.
9.物体和质点
可看成质点的物体,力的作用点可画在重心上,对有转动效果的物体,则力作用点应画在实际位置上。
10.力的变化
分析物体受力时,除了考虑它与周围物体的作用外,还要考虑物体的运动情况(平衡状态、加速或减速运动、曲线运动).当物体的运动情况不同时,其受力情况可能不同,力发生了变化;最典型的传送带摩擦力突变问题.
例如:推桌子,推而未动是静摩擦力,一旦动了就是滑动摩擦力,摩擦力发生了突变;
例如:静止释放在水平匀速传送带上的物体,先受滑动摩擦力作用,当物体速度和传送带速度一样时,相对运动消失,滑动摩擦力消失,摩擦力发生了突变;还有倾斜传送带传送物体摩擦力的突变.
五、检查受力是否完整
按照一定顺序进行受力分析。一般先分析场力等非接触力(如重力),然后用环视法分析弹力和摩擦力,再看有没有其它力.
环视法:环绕物体一周,找出跟研究对象接触的物体,确定弹力和摩擦力的个数,一个接触面最多一个弹力和一个摩擦力,主动弹力用公式(如弹簧弹力),被动弹力看状态(如支持力);动摩用公式(主动),静摩看状态(被动);并逐个分析弹力和摩擦力,最后再分析其它力.
在受力分析的过程中,要边分析边画受力图(养成画受力图的好习惯).只画性质力,不画效果力.