第三章 相互作用

必修模块物理1第三章 相互作用本章讲述的是力的基本知识。

主要内容包括力的概念、三种力（重力、弹力和摩擦力）的特点、力的运算（合成、分解）和物体的平衡。

专题1 重力、弹力、摩擦力 基础知识（一）力1．力的概念在物理学中，人们把改变物体运动状态、产生形变的原因，即物体与物体之间的相互作用，称做力。

运动状态是指速度。

2．力的作用效果改变物体的物体运动状态或使受力物体产生形变。

3．力的测量 用测力计测量。

4．力的单位在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称牛，符号是N 。

5．力的表示方法要把一个力完全表达出来，除了力的大小外，还要指明力的方向、作用点。

（1）文字表述用文字说明力的大小、方向、作用点。

（2）数字表述用数字说明力的大小、方向、作用点。

如某力大小N 10=F 、与水平方向成030=α角、作用在物体上的A 点。

（3）几何表述用带箭头的线段表示力。

线段是按一定比例（标度）画出的，它的长短表示力的大小，它的指向表示力的方向，箭尾（或箭头）表示力的作用点，线段所在的直线叫做力的作用线。

这种表示力的方法叫做力的图示。

有时只需画出力的示意图，即只画出力的作用点和方向，表示物体在这个方向上受到了力。

6．力的基本特征 （1）力的物质性力是物体对物体的相互作用，力不能离开物体而独立存在。

一个物体受到力的作用，一定有另一个物体对它施加这种作用。

任何一个力，必然要涉及两个物体，一个是施力物体，一个是受力物体。

只有施力物体而没有受力物体或只有受力物体而没有施力物体的力都是不存在的。

（2）力的相互性力的作用是相互的，若A 物体对B 物体施力了力的作用，则B 物体必然也对A 物体施加力的作用。

所以，一个物体是受力物体的同时，也是施力物体。

A 、B 两物体之间的这一对相互作用的力叫作用力和反作用力，其关系是大小相等、方向相反。

（二）力的分类1．四种基本相互作用迄今为止，人类认识到在宇宙中存在四种最基本的相互作用：万有引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用。

力学中经常遇到的重力、弹力、摩擦力只不过是上面讨论的四类基本力中不同情况下的不同表现而已。

如重力是万有引力在地球表面附近的一种表现，弹力和摩擦力在本质上都是电磁力引起的。

2．力的分类力的分类方法较多，在力学中常用的分类方法有以下几种。

①按性质分类：重力、弹力和摩擦力。

②按效果分类：拉力、压力、支持力、动力、阻力、浮力、向心力等。

③按相互作用方式分类：接触力、非接触力（场力）。

（三）重力1．重力在地面附近，由于一地球的吸引而使物体受到的力叫做重力。

2．重力的大小质量为m 的物体受到的重力mg G =，用g 表示重力加速度。

3．重力的方向 重力的方向竖直向下。

4．作用点一个物体的各部分都受到重力的作用，从效果上看，我们可以认为各部分受到的重力作用集中一点，这一点叫做物体的重心。

质量均匀分布的物体，常称均匀物体，重心的位置只跟物体的物体的形状有关。

质量分布不均匀的物体，重心的位置除了跟物体的物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。

（四）弹力1．弹力发生弹性形变的物体由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫做弹力。

（1）物体在力的作用下形状或体积发生改变，叫做形变。

（2）有些物体在形变后能够恢复原状，这种形变叫做弹性形变。

（3）如果形变过大，超过一定的限度，撤去作用力后，物体就不能完全恢复原来的形状。

这个限度叫做弹性限度。

2．产生条件弹力是产生在直接接触并发生弹性形变的物体之间。

3．弹力的方向绳的拉力沿着绳而指向绳收缩的方向。

面与面或点与面接触的弹力方向，垂直于接触面并指向受力物体。

4．弹力的大小弹力的大小跟形变的大小有关系，形变越大，弹力也越大，形变消失，弹力随着消失。

弹力与形变的变量关系，一般来讲比较复杂。

而弹簧的弹力与弹簧的伸长量（或压缩量）的关系则比较简单。

实验表明，弹簧发生弹性形变时，弹力的大小F 跟弹簧伸长（或缩短）的长度x 成正比，即kx F =，式中的k 称为弹簧的劲度系数，单位是牛顿每米，单位的符号N/m 。

k 的大小由弹簧本身的特性决定，与弹簧的粗细、长度、材料、匝数等因素有关。

（五）摩擦力1．摩擦力两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时，就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动的趋势的力，这种力叫做摩擦力。

2．产生的条件（1）两物体直接接触并发生弹性形变； （2）接触面都粗糙；（3）两物体发生相对运动或具有相对运动趋势。

注意：以上三条必须同时满足。

3．摩擦力方向 （1）滑动摩擦力沿接触面的切向，与物体相对运动的方向相反。

（2）静摩擦力沿接触面的切向，与物体相对运动趋势的方向相反。

4．摩擦力的大小 （1）滑动摩擦力滑动摩擦力可用公式N F F μ=计算，此式是滑动摩擦力大小的决定式。

（2）静摩擦力静摩擦力存在一个最大值max F 。

当出现物体相对接触面将要滑动的临界状态时，摩擦力达到最大值max F 。

两物体间实际发生的静摩擦力F 介于0和最大值max F 之间。

知识训练1．关于力的概念，正确的说法是 （1）一个力一定与两个物体相联系（2）拳击运动一拳打出去却没有击中对方，此时只有施力物体而没有受力物体 （3）用手压弹簧时，手给弹簧的力先出现，弹簧给手的力后出现 （4）只有固态的物体间才有力的作用（5）由有一定距离的磁铁间有相互作用力可知：力可以离开物体而独立存在 （6）只有直接接触的物体间才有力的作用 （7）力的大小可以用天平测量（8）书对水平桌面的压力，施力物体是桌面，受力物体是书 （9）桌面对书的支持力，施力物体是桌面，受力物体是书（10）弹簧测力计下挂静止的小球，小球对弹簧测力计的拉力的施力物体是地球，受力物体是弹簧（11）手通过悬绳吊着铁桶到井中打水，铁桶所受拉力的施力物体是手，受力物体是铁桶 2．关于重力的说法正确的是A ．绕地球运转的人造地球卫星不受重力B ．重力的大小可以用弹簧秤和杆秤直接测量C ．物体重力的大小等于它压在水平支持物上的力D ．重力的施力物体是地球 3．下列关于重心的说法，正确的是 A ．重心就是物体上最重的一点B ．形状规则的物体的重心必与其几何中心重合C ．质量均匀分布的直铁棒被弯曲后，重心便不在中点，但一定还在该铁棒上D ．重心是物体所受重力的等效作用点4．汽车停在马路上，轮胎对地面产生的压力是由于 发生形变而产生的。

地面对轮胎的支持力是由于 发生形变而产生的。

5．质量均匀的钢管，一端支在水平地面上，另一端被竖直绳悬吊着，如图所示，钢管受到几个力的作用？各是什么物体对它的作用？画出钢管受力的示意图。

6．如图所示，一根筷子放在光滑的碗内，筷子与碗壁、碗边都滑有摩擦。

作示意图表示筷子受到的力。

7、如图，放在水平地面上的钢筒内有A 、B 两球，试分析A 球受到的弹力，不计摩擦。

第5题 第6题 第7题 第8题8．如图所示，a 、b 为两根相连的轻质弹簧，它们的劲度系数分别为a k =1×103N/m ，b k =2×103N/m ，原长分别为a L =6cm ，b L =4cm 。

在下端持一物体G ，物体受到的重力为10N ，平衡时 A ．弹簧a 下端受的拉力为4N ，b 下端受的拉力为6N B ．弹簧a 下端受的拉力为10N ，b 下端受的拉力为10N C ．弹簧a 的长度变为7cm ，b 的长度变为6cm D ．弹簧a 的长度变为6.4cm ，b 的长度变为4.3cm9．重量为100N 的木箱放在水平地板上，至少要用35N 的水平推力，才能使它从原地开始运动。

木箱从原地移动以后，用30N 的水平推力，就可以使木箱继续做匀速运动。

由此可知：木箱与地板间的最大静摩擦力=m F ；木箱所受的滑动摩擦力=F 。

木箱与地板间的动摩擦因数=μ 。

如果用20N 的水平推力推木箱，木箱所受的摩擦力是 。

10．甲、乙两位同学探究弹簧形变量的计算方法：甲同学认为，一根劲度系数为k 的轻弹簧，若左端受力为1F ，右端受力为2F ，则弹簧左端伸长k F x 11=，右端伸长k F x 22=。

所以，弹簧一共伸长为kFk F x 21+=。

乙同学认为，弹簧的弹力应理解为弹簧所受的合外力，若1F ＞2F ，则弹簧弹力为21F F F -=，所以弹簧的伸长为kF F x 21-=。

你如何理解？ 答案 1．（1）（9） 2．D 3．D4．轮胎 地面5．钢管受到重力G 、地面支持力N 、绳的拉力T 三个力的作用。

重力G 的施力物体是地球，地面的支持力N 的施力物体是地面，绳的拉力T 的施力物体是绳。

6．如图所示。

7．筒壁对A 的弹力1F ，B 对A 的弹力2F 。

8．B第5题 第6题 第7题9．35N 30N 0.3 20N10．对一根轻弹簧来说，根据牛顿定律可知其受力特点是：在弹簧的两端弹簧对其它物体的力、物体对弹簧的力及弹簧内部各部分之间的作用力大小都相等。

胡克定律公式中的F 就是指这些力的大小。

F 并不是弹簧的合外力，由于轻弹簧的质量可以忽略，根据牛顿定律可知，轻弹簧在任何情况下所受的合外力一定为零。

胡克定律kx F =中的形变量x 是指弹簧实际长度与原长的差值，即弹簧两端一共伸长（或压缩量）。

此题的正确答案是，1F 与2F 的大小一定相等，弹簧的伸长量为k F x 1=或kFx 2=。

方法指导（一）弹力方向的判定方法1．根据形变的方向来判定受力物体所受的弹力方向与施力物体发生形变的方向相反。

具体情况可分为以下几种：（1）轻绳的弹力：轻绳只能产生拉力，方向沿着绳子背离受力物体。

（2）弹簧的弹力：弹簧可产生压缩和拉伸两种弹性形变，既能产生拉力，又能产生压力。

方向沿着弹簧的轴线并且与弹性形变方向相反。

（3）刚性体的弹力：刚性体产生的弹力可以是压力也可以是支持力，方向都是垂直于接触面而指向受力物体。

若接触面是曲面，则弹力的方向与曲面的切面垂直。

2．由牛顿运动定律或物体平衡条件判定弹力的产生条件是两物体直接接触且发生弹性形变。

物体是否直接接触是一目了然的，物体是否发生弹性形变及形变的方向有时不易断定。

如轻杆可以发生拉伸、压缩、弯曲、扭转形变，其一端的弹力有各种可能的方向，不一定沿杆的轴线方向，往往要用牛顿定律或物体平衡条件分析判定。

（二）弹力大小的确定方法1．用胡克定律确定适用于形变较显著的弹簧弹力的计算。

轻弹簧122．由牛顿运动定律确定适用于形变不明显的非弹簧类弹力的计算。

✍ 方法训练1．如图甲所示，硬杆AOB 的B 端固定在小车上，A 端固定着一个质量为m 的小球。

当小车水平向右匀速运动时，杆对小球的作用力大小为 ，方向 。

第1题 第2题2．如图甲所示，由轻杆AB 和AC 构成三角形支架，固定在墙壁上。