高中物理基石之受力分析
星宸物理 2020-12-09
受力分析是整个高中物理的基础，做每一个题目的第一步都是首先选择研究对象进行正确的受力分析。如果受力分析错误，就好像方向错误一样，走的越远，离目标偏差就越多，可见受力分析是何等重要。
受力分析(forceanalysis)，是将研究对象看作一个孤立的物体，并分析它所受各外力特性的方法。常见的外力包括重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力。由于各物体间的作用是相互的，任何一个力学问题都不可能只涉及一个物体，力是不能离开物体而独立存在的。所以在解题时，应根据题目的要求，画一简图，运用“隔离法”（整体法也是隔离法），进行受力分析。一般是把研究对象看成质点，把所有力都画在一个点上，高中主要分析共点力的问题，结合力的合成、分解、特别是正交分解，找到合力，然后利用牛顿第二定律或者功能关系进行列方程，找到我们需要求的未知量。要想做好这一步工作，就需要先掌握各个力的产生条件以及方向。下面就跟着董老师一一来认识他们吧。
1.重力
重力一定有，地面附近的物体都要受到地球的吸引，物体由于地球的吸引而受到的力为重力，大小G=mg，方向竖直向下。如果研究的是微观粒子，可以把物体的重力忽略掉，此时可以不分析重力。
2.弹力
弹力看周围，看物体与周围有几个接触点，在这些接触点的地方可能存在弹力，弹力是两个彼此接触的物体由于挤压发生弹性形变而产生的力，条件是接触、挤压有弹性形变。弹力的方向是垂直于接触面指向受力物体，如果的是轻绳，那么弹力的方向为沿绳指向绳收缩的方向。如果是用铰链连接的轻杆，弹力一定沿杆的方向，可以指向杆的中点，也可相反。如果是固定的杆，弹力的方向就不确定了。可以沿杆，也可和杆成任意夹角。
3.摩擦力
在有弹力的地方去分析摩擦力，分为静摩擦和滑动摩擦力。产生的条件是接触面粗糙、有弹力、存在相对运动和相对运动趋势。摩擦力的方向与“相对运动”或“相对运动趋势”方向相反，但并不一定与物体的运动方向相反。摩擦力阻碍的是物体的“相对运动”或“相对运动趋势”，并不是阻碍物体的运动，摩擦力并不都是阻力。好多时候摩擦力都是动力，比如人走路时的静摩擦力、向高处运送货物的传送带和货物之间的摩擦力都是动力。滑动摩擦力大小与压力正比，公式为F=μFN，静摩擦力一般根据二力平衡来计算，最大静摩擦力在计算的时候近似看成等于滑动摩擦力，其实最大静摩擦力一般要略大于滑动摩擦力。
4.电场力和磁场力
电荷在电场中受到的力为电场力，也称库仑力，正电荷受力方向与电场方向相同，负电荷受力方向与电场方向相反。计算公式为：F=qE或F=kQq/r2。磁场力分为安培力和洛伦兹力，通电导线在不与磁场平行时受到的力称为安培力，是洛伦兹力的宏观表现。运动电荷在磁场中如果运动方向不和磁场平行受到的力为洛伦兹力。大小的计算公式为F安=BIL（期中B和I垂直），F洛=qvB（期中B与v垂直）
【例题1】如图所示，物体A、B叠放在水平面上，水平力F作用在A上，使二者一起向左做匀速直线运动，下列说法正确的是 ( )
A.A、B之间无摩擦力
B.A受到的摩擦力水平向右
C.B受到A的摩擦力水平向右
D.地面对B的摩擦力为静摩擦力，水平向右
解析 对A物体，由于A匀速运动，由二力平衡可知，B对A的摩擦力必与F等大、反向，故A错误，B正确；对B物体，由力作用的相互性知，B对A的摩擦力一定与A对B的摩擦力反向，故B受到A的摩擦力水平向左，故C错误；对A、B整体分析，由于A和B一起向左匀速运动，则地面对B的摩擦力一定为滑动摩擦力，且水平向右，故D错误。
答案 B
【例题2】画出图中物体A所受力的示意图，并写出力的名称和施力物体：(1)物体A静止，接触面光滑；(2)A沿粗糙斜面上滑；(3)A沿粗糙水平面滑行；(4)接触面光滑，A静止。
解析 (1)物体A受重力G、推力F、支持力FN、墙壁对A向左的弹力FN′，施力物体分别是地球、推A的物体、地面、墙壁；(2)物体A受竖直向下的重力G、垂直于斜面向上的支持力FN、沿斜面向下的滑动摩擦力Ff，施力物体分别是地球、斜面、斜面；(3)物体A受重力G、支持力FN、滑动摩擦力Ff，施力物体分别是地球、水平面、水平面；(4)物体A受重力G、拉力FT、弹力FN，施力物体分别是地球、绳子、墙壁。
【例题3】画出图(1)～(4)中静止物体A的受力示意图(注意：图中球形物体的接触面光滑)。
答案：
【牛刀小试】如图所示，质量为m1的物体甲通过三段轻绳悬挂，三段轻绳的结点为O，轻绳OB水平且B端与站在水平面上的质量为m2的人相连，轻绳OA与竖直方向的夹角θ＝37°，物体甲及人均处于静止状态(已知sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8。g取10 m/s2。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)。求：
(1)轻绳OA、OB中的张力分别是多大？
(2)人受到的摩擦力是多大？方向如何？
(3)若人的质量m2＝60 kg，人与水平面之间的动摩擦因数为μ＝0.3，欲使人在水平面上不滑动，则物体甲的质量m1最大不能超过多少？
【董老师悟语】
受力分析顺序：重力——已知力——弹力——摩擦力——其他力
口诀：重力一定有，弹力看周围，分析摩擦力，不忘其他力。