运动和力的关系

运动和力的关系
运动和力的关系

运动和力的关系
牛顿第一定律即惯性定律提出了“保持自己的静止或匀速直线运动状态不变”,这是物体本身的固有属性,即惯性.也就是说运动不需要力来维持,力是改变物体运动状态的原因.
　　那么,怎样进一步理解运动和力的关系呢?简单地概括就是：1.如果物体所受的合外力为零,那么物体就保持静止或保持做匀速直线运动.这时我们称之为平衡状态.反之,如果物体处于平衡状态,则它所受的外力的合力一定为零.2.如果物体所受的合外力不为零,那么物体就会做变速运动,即物体运动速度的大小或方向就要发生改变.可以肯定,如果物体在做变速运动,则它所受的外力的合力一定不为零.
　　同学们有几个问题常常想不通.例如,“物体不受外力或说合外力为零,将保持匀速状态或静止状态,这可以理解,那一个物体原来静止,怎么会运动起来的呢?”原来静止,如果不受外力,就继续静止,必定它受到某一个力才由静止变为运动；而现在我们所研究的这一段过程中,它不再受力,就保持着这一速度,匀速直线前进.
　　比如,宇航火箭向后喷射火焰,受到反作用力,速度不断增加,这是受力而运动状态由静变运动,速度由小变大的过程.当最后一瞬间,火药气喷完,它的速度达到7.9千米/秒时,它不再受力；速度就不再变化了,将永远保持这一速度继续前进.当然,事实上,在这个速度,和此时所处高度的条件下,它仍受到地球引力的作用,而这个作用力的方向与它的运动方向垂直,就使它的运动方向不断地改变.同样,因为力和运动方向垂直,不会影响它的运动快慢.所以整个来说,它将进行匀速圆周运动.
　　还有一个问题,运动的物体受不为零的力,运动状态到底如何变化?一言难尽.可以分几种情况来讨论.1.如果所受的力与运动方向垂直,如刚才讲的火箭和卫星,则卫星将保持原来运动的快慢,做匀速圆周运动.2.如果力和运动方向一致,那么,运动将越来越快,就是说,做加速运动.比如,小汽车起动后司机继续加大油门,牵引力与运动方向一致,它将加速.反之,行驶的汽车,当司机踩刹车时,汽车还需向前冲出一段距离.这时没有牵引力,只有摩擦力,即受力的方向与运动方向相反,这时物体做减速运动.为什么这时受力方向向后而车仍向前运动呢?因为汽车有惯性,要保持原来的运动状态,而只因为受了力,使它的运动状态受到改变,运动减慢,最后停下来.可见,力不是使物体运动的原因,而只是改变物体运动状态的原因.有同学想不通；一个球你不踢它,它就不动,不是力使它运动的吗?这话是对的,但它说明了两点（1）踢球的力使球运动；（2）力改变了球的运动状态.可是如果一个飞过来的球,在我们观察它的这一段时间和距离中,它从一开始就是运动的,不能说只有受了力它才运动,而由于地面和空气的阻力慢慢停下来,仍说明力是改变物体运动状态的原因.而同学们之所以有误解是因为我们身边的东西原来确实是相对地面静止的.事实上宇宙中的许多物体原来就是运动的,而且运动和静止本来就是相对的.还有,我们的结论和原理都是相对于进行研究的某一段区间而言的.因此,力是改变物体运动状态的原因这个判断才说到了问题的实质.
　　例题1.汽车牵引拖车由静止开始向前运动时,汽车对拖车向前的拉力和拖车对汽车向后的拉力是一对作用力和反作用力,其大小相等、方向相反.但为什么是拖车被汽车拉动向前运动,而不是拖车拉动汽车向后运动呢?
　　分析：汽车与拖车之间的相互作用力确实是符合牛顿第三定律,等大反向的.但是,决定一个物体如何运动的不是只取决于其中某一个力,而要由物体所受的所有外力的合力来决定.
　　如图1所示,当汽车牵引拖车起动时,汽车受五个力作用：重力G1、支持力N1、牵引力F、运动阻力f1及拖车的拉力T1.拖车受力：重力G2、支持力N2、拉力T2和阻力f2.这里T1=T2.但是决定汽车运动的是它受的五个力的合力.其中竖直方向G1=N1,合力为零；水平方向F>T1+f1,合力F合1=F-(T1+F1),方向向前.所以汽车能加速启动.
　　同样,对拖车来说,决定其运动的也是它受的合力.其中竖直方向G2=N2,合力为零；水平方向T2>f2,合力F合2=T2-f2,方向向前.所以拖车也将向前加速运动.
　　例题2.台秤上放一重100牛顿的物体A,物A上端系一根细绳,绕过定滑轮后绳的另一端再挂重30牛顿的物体B.如图2所示,那么A、B两个物体各受几个力作用?每个力多大?台秤示数多大?
　　分析：A物体受竖直向下的重力GA托盘向上的支持力N和绳子的拉力T,B物体受重力GB和拉力T′.GB=30牛,由于二力平衡,T′=GB=30牛,同样道理,T=T′=30牛.A受的支持力N=GA-T=70牛,托盘秤显示的N′是托盘受的力,由于托盘受压力N′与A受托盘的支持力N是一对作用力和反作用力,∴台秤示数N′=N=70牛.
　　例题3 如图3所示的一架梯子,其上端搭在光滑墙壁上,下端立在水平地面上静止.试画出梯子的受力分析图
　　分析：先看B点,梯子B点受到墙的支持力N1′,方向如何呢?因为梯子B端给墙一个压力,而压力N1是垂直于墙表面的,那么N1的反作用力N1′就是墙给的,梯子受的,与N1方向相反.同理,梯子的A端受的是地面受的压力N2的反作用力N2′,垂直于墙面.梯子受重力G这不必说,由于受重力,墙面又是光滑的,对梯子没有摩擦力,梯子的A端有向左移动的趋势,但A点没有移动,显然A点受到向右的摩擦力f′.由此可见,梯子受到重力G,墙的支持力N1′,地面支持力N2′和静摩擦力f,见图.
　　例题4 横梁上用细线A吊着1个质量为1千克的重物,如图4所示,重物下仍系一相同的细线B.若细线可以承受15牛顿的拉力,试分析当你用手均匀用力向下拉细线B时,将会出现什么现象?当用手猛拉细线B时,会出现什么现象?
　　分析：当用手匀着劲拉B线时,倘使手用的力F超过了6牛顿,那么,细线受到重力G=9.8牛和F=6牛这两个力的合力的作用,将会断.而当用手猛拉细线B时,作用在B上的拉力会很快超过15牛顿,看来这时A线受到的合力会接近25牛顿,即A受的力远大于B受的力.但由于中间有重物G,它具有惯性,当B线受力达到15牛时,重物还没有动,A线还没有被拉抻,B线已经断了.所以猛拉的时候,B线断.