受力分析中的干扰因素及应对策略

刘胜斌

(广西玉林实验中学,广西玉林 537000)

物体受力分析是力学中的基础内容,正确分析物体的受力情况,是研究力学问题的关键,是学生学习物理必须掌握的基本功.但是在教学中笔者发现不少学生在受力分析时,经常出现错误.究其原因,是受生活经验、思维习惯等干扰因素的影响.本文通过典型范例阐述几种受力分析中的干扰因素及其应对策略,以供参考.

1 施力干扰因素

物体之间的作用力是相互的,施力物体同时也是受力物体.许多学生在作受力分析时,往往分不清施力物体、受力物体,经常受施力物体因素的干扰,误把施加给别的物体的力当作受力.

图1

例1.如图1所示,一个物体 A受到一个瞬时冲击后,沿固定的粗糙斜面向上滑动,则物体 A上滑过程中,物体A受到的力是

(A)重力、沿斜面向下的压力和斜面的压力.

(B)重力、沿斜面向上的冲力和沿斜面向下的滑动摩擦力.

(C)重力、沿斜面向下的滑动摩擦力和斜面的支持力.

(D)重力、沿斜面向上的冲力、沿斜面向下的滑动摩擦力和斜面的支持力.

错误解法:认为选项(A)正确或选项(B)正确.

错解分析:选项(A)混淆受力分析的对象,其中“压力”的施力物体是 A,受力物体是斜面,它是斜向下垂直于斜面方向的作用在斜面上的弹力,选项(A)还犯了“漏力”的错误.选项(B)根据物体 A向上运动,臆断 A受到向上的冲力,其原因是不理解力的物体性,即任何一个力既存在受力物体也必存在施力物体.

正确解法:物体 A受重力,在向上运动的过程中,斜面对它产生的接触力有支持力及滑动摩擦力.其中支持力与接触斜面垂直向上,摩擦力与 A相对斜面的运动方向相反,即沿斜面向下,所以选项(C)正确.

应对策略:避免“漏力”的方法是,可按重力、弹力、摩擦力……顺序逐一考虑;避免“多力”的方法是,找出每一个力的施力物体,找不到施力物体的力是不存在的.

2 接触干扰因素

所有弹力都是由于物体相互接触才产生的,但是并不是所有的接触面都存在弹力,有少数特殊条件下的接触面没有弹力,有些学生对特殊条件知之甚少,导致受力分析时出现错误.

例2.如图2所示,物体 A受到几个力的作用,各是什么力?

图2

错误解法:物体 A受到3个力的作用,它们分别为重力,墙壁对物体A的弹力,绳子对物体 A的拉力.

错解分析:产生弹力的条件是两物体直接接触且发生弹性形变.墙壁与物体 A虽然接触,但它们之间没有发生弹性形变,即它们之间无弹力作用.

正确解法:物体 A受到两个力的作用,分别为重力、绳子对物体 A的拉力.从图2中可以看出物体 A与墙壁接触满足弹力的第1个条件,但对于第2个条件,可用假设法,设有弹力,则 A将向右运动,与题目不符,所以墙壁对物体 A没有弹力作用.

应对策略:在判断物体间是否有弹力时易受接触干扰因素的影响产生错误,为避免这类错误,若产生弹力的条件比较明显,可直接利用产生弹力的条件判断;若产生弹力的条件不明显,可用“假设法”或“拆除法”判断.“假设法”即假设接触面处存在弹力,作出物体的受力图,再根据平衡条件判断是否存在弹力.“拆除法”即去掉与研究对象接触的物体,看研究对象能否保持原状态,若能,则说明此处弹力不存在;若不能,说明弹力存在.

3 运动干扰因素

在分析受力时,学生对摩擦力的判断最感棘手,有没有摩擦力,摩擦力朝什么方向,是滑动摩擦力还是静摩擦力,都不容易确定,而造成对分析摩擦力的最大干扰因素则来自于运动.

图3

例3.水平皮带传输装置如图3所示,皮带的速度保持不变,物体被轻轻地放在 A端皮带上,开始时物体在皮带上滑动,当它到达位置 C后滑动停止,之后就随皮带一起匀速运动,直至传送到目的地B端.在传送过程中,物体受到的摩擦力

(A)在 AC段为水平向左的滑动摩擦力.

(B)在AC段为水平向右的滑动摩擦力.

(C)在CB段不受静摩擦力.

(D)在CB段受水平向右的静摩擦力.

错误解法:认为选项(A)或(D)正确.

错解分析:受运动因素的影响,把“滑动摩擦力总是阻碍物体间的相对运动”误解为“总是阻碍物体的运动”,以为物体向右运动,必受到水平向左的滑动摩擦力;认为“力是产生运动的原因”,以为物体向右运动必然需要力来维持,所以在CB段受水平向右的静摩擦力.

正确解法:当物体被轻轻放在皮带 A端时,其初速度为零,物体相对皮带向左运动,物体受到的滑动摩擦力水平向右,使物体相对地面向右加速运动,所以选项(B)正确;当物体与皮带等速时,两者无相对运动及相对运动的趋势,两者之间无摩擦力作用,物体受到重力及皮带支持力,在这一对平衡力作用下做匀速直线运动,所以选项(C)正确.

应对策略:在分析摩擦力时,必须根据两个相互接触物体的相对运动或相对运动趋势情况,确定摩擦力是否存在及其性质.

4 经验干扰因素

成功的经验可作为认识事物的捷径,而不成熟的、片面的经验,却往往容易将人们的思维引入歧途.

图4

例4.如图 4所示,粗糙斜面上的物体受到沿斜面向上的拉力F作用而静止,除拉力F外,物体还受到其他力,下列说法正确的是

(A)重力、垂直斜面向上的支持力,摩擦力一定沿斜面向上.

(B)重力、垂直斜面向下的支持力,摩擦力一定沿斜面向下.

(C)重力、垂直斜面向上的支持力、沿斜面向下的下滑力.

(D)重力、垂直斜面向上的支持力、可能不受摩擦力.

错误解法:认为选项(A)或(B)或(C)正确.

错解分析:凭片面的经验认为物体受沿斜面向上(或向下)的摩擦力,原因是对物体相对斜面运动趋势方向没有进行多角度、多方位分析;还认为物体受到沿斜面向下的下滑力,原因是对物体进行受力分析时,既按性质又按效果来分析,这样把重力与其效果力(在斜面上的下滑力)混在一起,造成重复.

正确解法:物体受重力、垂直斜面向上的支持力,静止在斜面上的物体没有下滑力,其实这个“下滑力”并不是一个实际存在的力,而是重力沿斜面向下的分力.

至于摩擦力要根据本题的具体情况分析:当拉力F较大(F＞mgsinα)时,物体有沿斜面向上的运动趋势,物体所受的静摩擦力沿斜面向下,其大小为 F′=F-mgsinα;当拉力 F较小(F＜mgsinα)时,物体有沿斜面向下的运动趋势,物体受到的静摩擦力沿斜面向上,其大小为 F′=mgsinα-F;当拉力 F 取某一特殊值(F=mgsinα)时,物体无运动趋势,故物体不受静摩擦力作用.今所给拉力F的大小未知,上述情况均有可能,所以选项(D)正确.

应对策略:去掉片面的经验,积累成功的经验.当物体受力大小或方向未确定时,物体的运动状态具有多种可能性,对静摩擦力的方向,可根据它与相对运动趋势方向相反去判断;对静摩擦力的大小,可根据物体的运动状态去确定.