高中物理力的分析

1高中物理力的分析150亿光年QQ2574561213一、概述在高中物理阶段，力学占据着十分重要的位置，除去电学和光学部分，其他内容都无法脱离力学单独存在，力学学的好，基本可以获得高考物理的一半分数，另一半分数，如果你没有学好力学，也很难拿到。力学的基础是受力分析，而受力分析的基础是要掌握各种力的性质。我们经常接触到重要的几种力有：弹力（这个力又分为几种情况，我将在后面的内容中加以说明）、摩擦力、电场力、洛伦茨力、安培力、重力以及万有引力下面我将就这几种力，逐一介绍其性质和特点，相信大家掌握这些内容后，能够熟练的对物体进行受力分析，夯实高中物理的力学基础。二、弹力顾名思义是由物体弹性形变而产生的一种力，但由于涉及到物体形变的计算非常复杂，因此在高中我们所涉及的物体一般为认为是刚性的，即无论其产生多大的弹力，其形变都非常之小，可以忽略不计，当使产生形变的外力消失后，物体都会迅速恢复原状，其恢复的时间也可以忽略不计，即2这种弹力是可以突变的。（这里所说的物体可以是接触面，细绳或者横杆）。当然当题目中提到物体是橡胶等材质或者是弹簧时，我们就不能认为其为刚性了，相应的以上刚性物体所具有的性质就不复存在，即非突变的。在不同的物体上，弹性的表现也是不同的，且物体产生弹力与物体本身的性质无关，更多与物体所受的外力有关，因此弹力是一种十分复杂的力，是未知的力，在很多题目中弹力都是被求解的对象。下面我介绍几种常见的弹力。（一）支持力1.大小和方向支持力是种十分被动的力，其方向永远与接触面垂直，指向施压物体的方向，大小只与所受的压力有关，无法直接得出，需要对接触面上的物体进行受力分析后（要考虑物体所受的外力情况和物体的运动状态），才能够得出接触面的支持力。下面几种模型，请大家看一下。模型1：mgcosαmgsinααmgα3当斜面绝对光滑，处于静止状态，物块沿斜面自由下滑时。根据力的三角形得出斜面对物块的支撑力为mgcosα，物块所受的合力为mgsinα。在这个模型中我们的已知条件为：物块沿斜面自由下滑，即物块做加速运动的方向，由此得出物块所受合外力的方向，并已知重力的大小和方向，以及支撑力的方向。模型2同样为此图形，斜面绝对光滑，物块与斜面相对静止，与斜面一起向左做匀加速直线运动，加速度未知，假设为a，我们来观察一下物块运动状态的改变对其所受支持力的影响。由题意可知物体所受合外力的方向为向左水平方向。重力的大小和方向已知，支持力的方向已知。αmgmg/cosαama=mgtanα4由力的三角形得出支持力为mg/cosα,物体所受的合外力为mgtanα,由此得出a为gtanα。由以上两种情况可以看出物块的运动状态对其所受支持力的影响。同时一个物体所受的外力不同对其支持力的影响相对简单，这里不做讲解。提出这个题目的目的是告诉一些物理不是很好的同学，不要一碰到斜面就以为物体所受的支持力为mgcosα，下滑力（即物体所受合力）为mgsinα。得出这样的结论是有一定的条件限制的。2.能量与做功情况没有与支持力相关的能量，由于支持力与接触面垂直，如果物体沿接触面移动，支持力是不做功的，但如果物体没有离开接触面，同时发生了其他方向的位移，此时支持力是做功的（这种情况类似于人做电梯上下，电梯对人的支持里是做功的）。3.相关的力如果是粗糙的接触面，支持力直接与动摩擦力以及最大经摩擦力的大小有关。5（二）绳子的拉力1．物理模型的介绍物理题目中所谓绳子，是指在长度方向，绝对刚性，即无论在长度方向承受多大的力，绳子的长度都不会发生变化。这个性质导致了只要绳子所受外力发生改变，绳子的拉力也会瞬间发生改变。在与绳子长度方向向垂直的方向，认为绳子是绝对柔性的，即极其轻微的力都可以使绳子发生形变。另外在题目中绳子通常为细绳，即只有长度，没有半径的理想模型。（如果题目中提到为橡皮绳，则其性质更接近弹簧，我们通常当作弹簧近似处理）2．力的大小和方向由于绳子这一模型特点，绳子的力一定是沿着绳子的长度方向。而且对于同一根绳子，如果绳子的拐点（指滑轮之类的拐点）处于静止或匀速转动的情况下，同一根绳子产生的力是相同的。下面几个简易的模型，大家可以看一下：模型16已知条件为滑轮处于静止状态，其重量不计，滑轮下方悬挂一个质量为m的物体，绳子两端与竖直方向所成角度分别为θ1和θ2，两者是否相等，若θ1和θ2为已知，绳子的拉力T为多少？首先来处理第一个问题，由滑轮静止我们得出（1）绳子两端的拉力相等。（2）滑轮所受的水平与竖直方向的合力均为0。所以得出：（1）Tsinθ1=Tsinθ2（2）mg=Tcosθ1+Tcosθ2结论θ1=θ2，T=mg/2cosθ模型2mmgθ2TTθ1Tsinθ1Tsinθ2Tcosθ2Tcosθ17墙壁中插有一水平横杆，横杆的另一端装有滑轮，细绳一段固定于墙上，通过定滑轮后悬挂一质量为m的重物，细绳在通过滑轮前与水平方向所成角度为30°，系统处于静止状态，求绳子对定滑轮合力的大小和方向。m30°30°mgmgmgmg8在定滑轮下方绳子的拉力为mg，由于系统处于静止状态，所以在定滑轮两端绳子的拉力是相等的，其上方的拉力也为mg，然后有力的四边形法则即可得出其合力的大小与方向。得出绳子对滑轮的合力大小为mg，方向左下方与水平方向成30°角。3．做功情况绳子的拉力在题目中如果充当牵引力的角色，会对物体做功。但也会经常充当向心力的角色，由于其时刻与物体的运动方向垂直，所以不对物体做功。（三）弹簧的弹力1．物理模型的介绍高中物理题目中出现的弹簧多为轻质弹簧，首先其质量忽略不计，其次受到外力产生形变，外力撤去后可以完全恢复初始状态。弹簧的弹力与绳子的拉力一个显著的区别在于弹簧受外力作用时，其形变较大，外力撤去后，其形变无法瞬时恢复，产生的弹力无法瞬间发生改变。具体区别请看以下两个模型：如图，一个质量为m的小球被两个细绳系住，左侧细绳水平，右侧细绳与竖直方向成45°角，此时将左侧细绳剪断9瞬间，求小球所受的合力，如果将右侧的细绳更换为弹簧，此时小球所受的合力又是多少？第一种情况：左侧细绳剪断后瞬间，小球开始以右边细绳悬挂点为中心，以细绳为半径摆动，此时小球的加速度方向是与右侧细绳垂直的，由力的三角形得出，小球所受合力大小为mg√2/2。第二种情况：当左侧细绳没有被剪断时，左侧细绳的拉力由力的三角形得出为mg，此时小球处于静止状态，当左侧拉力消失后，小球所受的合外力与该拉力大小相等，方向相反，所以此时小球所受的合外力大小为mg，方向水平向右。两个图形看似极其相似，但却采用了不同的方法，得出了不同的结果，其根本原因就在于，第一种情况，当左侧细绳剪断的瞬间，右侧细绳所受外力发生了改变，其产生的弹力也瞬间发生改变，所以我们要用第一种情况的方法来解题。而第二种情况，由于弹簧的弹力无法瞬间发生改变，物体在mmmgmg10初始状态时为静止，现在突然撤去一个外力，但另外两个力无法在瞬间发生变化，因此我们用第二种方法来解题。2.力的大小和方向弹簧弹力的大小与弹簧的行变量成正比，F=kx，弹簧的形变应当在形变范围内，方向与形变的方向相反，指向初始位置的方向。另外弹簧还有一个不是经常用到的性质，如果一根弹簧的长度变成原来的一半，其弹性系数变为原来的一半。另外橡皮筋是一种介于弹簧与绳子之间的物体，其性质间具细绳与弹簧的性质，首先其具有弹簧形变较大的性质。此外，橡皮筋也具有能够绕过滑轮等情况（毕竟用弹簧绕过滑轮难度较大）。此时其性质除了形变里较大的性质外均与绳子的性质相同。3．弹簧的弹力与做功情况当外力使弹簧的形变变大时，弹簧的弹力对外做负功，弹簧的弹性势能增大，反之弹簧的弹力做正功。弹簧的弹性势能公式为：E=kx2/2。这个公式大家可以了解一下，题目中一般不会考到这种情况。11（四）杆的弹力1．力的大小和方向把杆的弹力单独提出来，是因为很多同学对这个力的大小和方向不是很清楚。在这里来对两种模型进行讨论。模型1杆与墙壁的固定端为铰链该模型固定端为铰链，目前杆子保持静止，那么对杆子的上端施加一个水平向左、向右、斜向下、斜向上。。。。的力，杆还会保持静止吗？当然不能，我们可以用力矩这个概念来解释。所以杆也不可能产生这些方向的力。在这种铰链的情况下，如果要杆子保持静止状态，杆产生的力的方向一定是沿着杆的方向，通过铰链，向外或向内都可能。12如上图这种情况，杆子是弯的，我们把这类杆子等同于一个连接杆的顶端与铰链的杆子，然后用上面的方法进行分析。模型2杆子与墙壁的固定端为插入式这个模型，当你对杆施加一个任意方向的力，杆都能够保持平衡，因此杆产生的作用力方向也可以是任意的，我们要具体问题具体分析。由于杆的作用力是一种被动的力，其方向由杆的上述性质来判断，其大小由外部作用力来判断。F132．力的性质作为硬质轻杆，其为刚质，因此当外力瞬间撤去，杆的作用力也发生突变。但如果题目出提高是橡皮质杆，则作用力不会发生突变。三、摩擦力1．大小与方向（1）静摩擦力。接触面粗糙，两个相互接触的物体没有发生相对滑动且存在相互挤压，若他们存在相互运动的趋势（这种相对运动趋势我们可以理解为两个物体中的一个物体在不受摩擦力的情况下，本应与另一物体发生相对运动，但这种运动并没有发生，则一个物体相对另一物体存在相对运动趋势，运动趋势的方向与该物体不受摩擦力时的运动方向相同），则两个物体之间存在静摩擦力。其方向永远平行于接触面，与运动趋势方向相反。大小可通过物体的受力得出。（2）动摩擦力。接触面粗糙，在接触面发生相对滑动且存在相互挤压的的情况下，则两个物体之间存在动摩擦力。其方向平行与接触面，与相对运动方向相反。大小可由公式：F𝑓=Nμ得出，μ为摩擦系数，N为接触面的支持力。F𝑓即为动14摩擦力，也为最大经摩擦力。但有的题目中物体之间是否存在相对滑动并不知道，我们一般情况下首先认为其静摩擦力，由受力分析分得出其大小，若该值大于F𝑓，则物体发生相对滑动，为动摩擦力，其大小为F𝑓,再对物体的运动状态进行重新判断。反之为静摩擦力。其大小即为该值。在这里用几个简单的模型进行介绍，争取把上面的情况说清楚：模型一在粗糙的平面上有一个物体处于静止状态，受到水平方向两个方向相反的力，大小如图所示。可以分析，物体如果摩擦力作用，物体则必将向右运动，因此其运动趋势是向右，则其所受摩擦力方向为向左。模型二3N2N15物体A与物体B之间的接触面粗糙，此时物体A的速度为V1，物体B的速度为V2,其方向均为水平向右。当V1V2时，物体A相对与物体B有向右的运动，所以物体B对物体A的摩擦力方向向左，物体A对物体B的摩擦力方向向右。如果V2V1，所有的情况相反。2.做功情况就摩擦力而言，其可以做正功，也可以做负功。而且由于摩擦力产生于两个固体的接触面之间，对于两个物体是一对作用力与反作用力。摩擦力对两个物体都会产生影响，而且如果是动摩擦力，两个物体就存在相对滑动，造成摩擦力对两个物体的做功不同。3．对系统能量的影响在很多题目中，动摩擦力作为一种系统的能量损耗而存在，如果我们把握了这一点，很多题目都能较为容易的解出来。能量之间的转换和传递一定伴随着力的做功。比如说重力势能转化成动能，是重力在做功，这个过程是没有能量损AV1V2B16耗的。一个带电颗粒在电场中停顿下来，是动能转化为电势能，这个过程也没有能量的损耗。一个物体在传送带上由静止加速到匀速直线运动，是带动传送带的电能，转化为物体物体的动能，由于这个过程存在相对运动，有动摩擦力做功，所以一定就有能量的损耗。（在这里重点说一下，我这里说的是动摩擦力，静摩擦力做功是没有能量损耗的。还有就是能量是守恒的，我这里提到的能量损耗其实是指一部分能量转化成热能消散掉了。）通过下面这个模型来向大家解释一下动摩擦力造成能量损耗这个问题。物体A质量为m，以初速度为V在另一质量为M的物体B上滑动。物体B上表面粗糙，初始状态为静止放置于光滑水平面上，并且物体B的长度足够长，表面摩擦系数为μ。来计算一下，在两个物体达到速度一致时，系统的动能共损失多少。由动量定理：mV=(M+m)V′得出V′=Mv/(M+m)把两个物体作