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1、第三章相互作用力自然界的物体不是孤立存在的，它们之间具有多种多样的相互作用。正是由于这些相互作用，物体在形状、运动状态等许多方面会发生变化。如何来研究这些相互作用呢？在力学中，物体间的相互作用抽象为一个概念一一力(force)。在研究物体做机械运动时，最常见的力有重力、弹力和摩擦力，本章研究这几种常见力的特点和规律。第三章1重力与弹力相互作用是我们从现今自然科学的观点出发在整体上考察运动着的物质时首先遇到的东西。相互作用是事物的真正的终极原因。一一恩格斯I问题力是一个物体对另一个物体的作用。认识一个力，需要弄清以下几个问题：1 .谁受到的力，谁施加的力？2 .怎样量度它的大小？3 .它的方向如
2、何？作用点在哪里？分析空中人所受的重力。关于上述问题，你知道哪些？1恩格斯(FriedrichEngels,1820-1895),马克思主义创始人之一。恩格斯曾致力于研究自然科学中的哲学问题，对当时自然科学最重要的成就作了辩证唯物主义的概括，逝世后这些札记被辑录成自然辩证法一书。重力由于地球的吸引而使物体受到的力叫作重力（gravity）,单位是牛顿，简称牛，符号用N表示。重力的施力物体是地球，方向竖直向下。初中我们学过，物体受到的重力G与物体质量tn的关系是G=mg其中g是自由落体加速度。通过第二章的学习我们知道，在没有空气阻力时，由静止下落的物体做自由落体运动。做自由落体运动的物体只受到重
3、力的作用。g的单位既可以是Nkg,又可以是mH,而且1N/kg=1ms2一个物体的各部分都受到重力的作用，从效果上看，可以认为各部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫作物体的重心（Centcrofgravity）o因此，重心可以看作是物体所受重力的作用点。质量均匀分布的物体,重心的位置只跟物体的形状有关。形状规则的均匀物体，它的重心比较容易确定。例如，均匀细直棒的重心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱体的重心在轴线的中点（图3.1-1）o质量分布不均匀的物体，重心的位置除了跟物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化（图3.1-2）。C；cI
4、I图3.1-1形状规则的均匀物体的重心图3.12我们还可以应用二力平衡的知识通过实验来确定形状不规则物体的重心位置。例如，要确定图3.1-3中薄板的重心位置，可以先在A点把物体悬挂起来，通过A点画一条竖直线AB,由于A点悬线的拉力跟薄板的重力平衡，薄板的重心必定在AB连线上；然后，再选另一处D点把物体悬挂起来，过D点画一条竖直线DE,薄板的重心必定在DE连线上。因此，AB和DE的交点C,就是薄板的重心。图3.1-3确定薄板的重心力可以用有向线段表示。有向线段的长短表示力的大小，箭头表示力的方向，箭尾(或箭头)表示力的作用点。如图3.1-4,球所受的重力大小为6N,方向竖直向下。这种表示力的方法
5、，叫作力的图示。在不需要准确标度力的大小时，通常只需画出力的作用点和方向，即只需画出力的示意图。12Nl三3.1-4力的图示弹力日常生活中的很多相互作用，无论是对物体推、拉、提、举，还是牵引列车、锻打工件、击球、弯弓射箭等，都是在物体与物体接触时发生的，这种相互作用可以称为接触力。我们通常所说的拉力、压力、支持力等都是接触力。接触力按其性质可以分为弹力和摩擦力，下面我们先研窕弹力。物体在力的作用下形状或体积会发生改变，这种变化叫作形变(deformation)。有时物体的形变很小，不易被觉察。在图3.15中，一块剖面为三角形的有机玻璃压在另一块有机玻璃上，发生的形变肉眼不能看出。但是形变后，当
6、特殊的光通过有机玻璃不同部位时，产生的花纹会发生变化，利用仪器可以看到这种差异。在工程设计时，常用这种方法研究按比例缩小的有机玻璃模型的形变，进而推测实际工程中物体各部位的受力情况。图3.1-5有机玻璃的形变演示通过平面镜观察桌面的微小形变如图3.1-6,在一张大桌子上放两个平面镜M和N,让一束光依次被这两面镜子反射,最后射到墙上，形成一个光点。按压两镜之间的桌面，观察墙上光点位置的变化。这个现象说明了什么？图3.1-6观察微小形变小意图被拉长的弹簧，要恢复原状，对相连接的小车产生了拉力尸(图3.1-7)；被跳水运动员压弯的跳板，要恢复原状，对上面的人产生了支持力。发生形变的物体，要恢复原状，
7、对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫作弹力(elasticforce)。flJ图3.1-7弹簧拉力示意图放在地板上的物体，它对地板的压力以及地板对它的支持力，都是弹力，其方向是跟接触面垂直的；绳子的拉力，也是弹力，其方向是沿着绳子而指向绳子收缩的方向。胡克定律物体在发生形变后，如果撤去作用力能够恢复原状，这种形变叫作弹性形变(elasticdeformation)。如果形变过大，超过一定的限度，撤去作用力后物体不能完全恢兔原来的形状，这个限度叫作弹性限度(elasticlimit弹簧在形变时产生的弹力与弹簧的伸长量是有关系的。那么，弹簧在弹性限度内，弹力大小与其伸长量有什么关系呢？实验探究
8、弹簧弹力与形变量的关系如图3.18甲，把弹簧上端固定在铁架台的横杆上，观察弹簧自由下垂时下端所到达的刻度位置。然后，在弹簧下端悬挂不同质量的钩码，设计实验记录表格，记录弹簧在不同拉力下伸长的长度。弹簧的弹力等于钩码对弹簧的拉力。以弹簧受到的弹力F为纵轴、弹簧伸长的长度X为横轴建立直角坐标系。根据表格中的实验数据，在坐标纸上描点，作出F-X图像（图3.1-8乙）。A F/Nx/m甲实验装置乙作出FX图像图3.1-8弹簧弹力与形变量的关系由F-X图像能得到什么结论？实验结果表明，弹簧发生弹性形变时，弹力F的大小跟弹簧伸长（或缩短）的长度X成正比，即F=kx这个规律是由英国科学家胡克发现的，叫作胡克
9、定律Hookeslaw）,式中弹力R弹簧伸长（或缩短）的长度X的单位分别是牛顿（N）、米（m）,左叫作弹簧的劲度系数（coefficientofstiffness），单位是牛顿每米,符号是N/m。生活中说有的弹簧“硬”，有的弹簧“软”，指的就是它们的劲度系数不同。练习与应用1 .举出具体的实例来说明：（1）力能够改变物体的运动状态或使物体产生形变。（2）每一个力，都有一个施力物体和一个受力物体。参考解答：（1）玻璃杯从桌上掉下，在重力作用下运动得越来越快；被掷出去的铅球，在重力作用下沿曲线落回地面；蹦床在人的压力作用下，向下凹；橡皮觞在拉力作用下变得细长。（2）人坐在凳子上，人对凳子有压力，该
10、力的施力物体是人，受力物体是凳子。2 .画出下面几个力的图示，并指出受力物体和施力物体。（1）竖直向上飞行的火箭受到的重力，火箭质量为2xl（）3kg。g取K）N/kg。（2）人对车施加的水平向右250N的推力。（3）用一根细绳竖直悬挂一件工艺品，工艺品对细绳的拉力为0.5N。参考解答：（1）重力的受力物体是火箭，施力物体是地球（图31）。（2）推力的受力物体是车，施力物体是人（图32）。（3）拉力的受力物体是细线，施力物体是工艺品（图3-3）。3 .几何学中把三角形三条中线的交点叫作重心。物理学中也有重心的概念。均匀的三角形薄板的重心是不是与几何学上的重心位于同一点上？请你通过以下实验作出判
11、断。首先作图把均匀等厚三角形纸板的三条中线的交点C找出来，然后用细线悬吊三角形纸板的任意位置，看悬线的延长线是否通过C点。参考解答：均匀的三角形薄板的重心与几何学上的重心位于同一点。4 .质量均匀的钢管，一端支在光滑的水平地面上，另一端被竖直绳悬挂着（图3.1-9）,钢管受到几个力的作用？各力的施力物体是什么？画出钢管受力的示意图。参考解答：如图所示，钢管受到3个力作用：重力G、地面的支持力入、绳的拉力F20重力G的施力物体是地球，地面的支持力Fi的施力物体是地面，绳的拉力F2的施力物体是绳。5 .物体在力的作用下产生的形变有时不容易被觉察，教科书列举了两个观察微小形变的实例，你还能想到用什么
12、方法来观察力作用下的微小形变？请画示意图说明你的方法。参考解答：例如：取一只玻璃瓶，里面盛满水，用穿有透明细管的橡皮塞封口，使水面位于细管中（图3-5）。用手捏玻璃瓶，可以看到透明细管中的水面变化，说明玻璃瓶在手用力作用下发生了形变。提示：物理学习要勤于动手、善于思考，玻璃瓶的形变可以通过细管中水柱的变化而显示出来，用手捏玻璃瓶的不同部位，用的力越大，管中水面上升越高（或下降越低），说明形变量越大。图 3.1-106 .某同学在竖直悬挂的弹簧下加挂钩码，做实验研究弹力与弹簧伸长量的关系。他将实验数据记录在表格中。实验时弹力始终未超过弹性限度，g取ION/kg。表祛码质量与弹簧总长度磅码质量m/
13、g0306090120150弹簧总长度/cm6.07.28.39.510.611.8（1）根据实验数据在坐标纸上作出弹力F跟弹簧伸长量X关系的F-x图像（图3.1-10)o（2）根据广-X图像计算弹簧的劲度系数。参考解答：（1）根据书中数据补充弹力与弹簧的伸长量见表，画出F-x图像如图所示。祛码质量m/g0306090120150弹簧总长度/cm67.28.39.510.611.8弹力F/N0030.60.91.21.5弹簧伸长量Wm00.0120.0230.0350.0460.058F/N(2)26N/m提示：本题根据F=G求出弹簧的弹力F,根据X=Jlo求出弹簧的伸长量Xo描点连线画出F-
14、x图像，根据F-x图像斜率求出劲度系数ko7.小发明一一设计一个自动冲水装置。有一个排污沟，需要每隔十多分钟用水冲洗一次。为此，请你应用重心的知识设计一个自动冲水装置。设计的思路是：用一个可以转动的容器接住从水龙头细细流出的水，容器中的水装到一定体积时，由于重心位置的变化，容器失去平衡而翻倒，容器中的水被全部倒出冲洗排污沟，倒完水的容器又能自动恢复到原来的位置重新接水，如此往夏。调节水龙头的流量，还可以控制两次冲水的时间间隔。请你在图3.1-11的圆圈中画出你构思的这个装置的图示。图参考解答：参考设计案例：如图3-7所示，让容器的重心位于转轴的左方，拧开水龙头，水不断注入容器，容器中的水位逐渐上升，容器(容器和水组成的整体)的重心向右上方移动。当重心超过转轴向右一定距离后，容器就会翻倒，容器中的水倒出。倒完水后容器的重心回到转轴左方，又能自动恢梵到原来位置重新接水，如此往复。调节水龙头的流量,可以控制两次冲水的时间间隔。
