高中物理关于弹力的叙述真的存在问题吗

摘要：本文针对本刊2013年第二期（上半月）刊登了毛小平老师的一篇文章《高中物理关于弹力叙述中存在的几个问题》（以下简称《原文》），提到的有关弹力的方向、弹性形变、接触物体等问题进行再议。

关键词：弹力；弹性形变；范性形变；接触

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2013）10（S）-0036-2

弹力的概念比较抽象，而弹力的方向一直都是教学的难点，此外弹力的产生条件也是学习的易混点。《原文》中对弹力相关的几个问题进行了讨论，笔者认为有所不妥，特此再议，希望能抛砖引玉共同探讨。

1 弹力方向的问题

为了说明弹力方向的问题，《原文》中举例如图1，铁棒的两端固定，用酒精灯对其加热（或者用冰块冷却，以下分析略），毛老师得出，两端的墙壁受到的弹力方向与铁棒的形变趋势方向相同，从而认为，司南版高中教材叙述的“弹力的方向总与形变的趋势相反，以使物体恢复原状。”考虑不全，是这样的吗？

笔者认为，毛老师如果分析铁棒受到的弹力方向与墙壁的形变关系是很容易的。会是如下过程，墙壁受到的弹力垂直于墙壁指向两端，是铁棒向两端形变。引起墙壁向两端形变；而施加了给铁棒指向中间的弹力，以使墙壁恢复原状。这里铁棒受到墙壁的弹力方向与墙壁的形变趋势相反，以使墙壁的形变恢复，结果与教材叙述相同。

那为什么毛老师在分析墙壁的弹力方向与铁棒的形变时，却得到了墙壁受到的弹力方向与铁棒的形变趋势相同的错误结论呢？原因在于铁棒最初的形变并不是弹力定义里面的形变。对于弹力的形变，百度百科上的定义为，凡物体受到外力而发生形状变化谓之“形变”。但是，毛老师显然是误解了铁棒热胀冷缩而出现的形变。从分子动理论的角度来看，温度升高（或降低），分子热运动加快（减慢），再次分子间隙要增大（缩小），所以出现了力的作用以及形变，这里形变与外力无关；再次这个形变无施力物体，被动形变无从谈起。

那么在分析墙壁的弹力方向与铁棒的形变时，果真为一特例吗？否。以铁棒右端为例分析过程如图2，铁棒最初的内部形变引起了墙壁受到向右的外力，墙壁向右形变的趋势1，墙壁要恢复原状1，对铁棒有向左的形变2，铁棒要向右恢复原状2，从而对墙壁产生向右弹力。故，墙壁的弹力方向还是与铁棒的形变方向相反的。

因此，物体受到弹力的方向总与施力物体的形变的趋势相反，以使施力物体恢复原状。原教材的表述不存在问题。

2 弹力定义里的形变一定是弹性形变的问题

2.1 “形变”应该加上“弹性”的限制

《原文》中为了说明问题所在，引入了橡皮泥被压的情境（图3），按照毛老师的分析，橡皮泥虽被压扁了，但仍然有微小的恢复，因此，应该得到弹力的产生是弹性形变才对，怎么能把“形变”之前的“弹性”去掉了？包括一团丝线被压的情境也不能佐证“‘形变’不必加‘弹性…的论点。

2.2 弹力的物理本质

笔者认为从四种相互作用的角度来看，弹力的物理本质是一种电磁相互作用，弹力是内部大量分子（原子）的相互作用对外宏观表现。就固体而言，无论是晶体还是非晶体，结构都很稳定，主要是因为分子力（或者说是正负电荷之间的库仑力）维系的结果。

下面按照分子动理论对弹力的微观机理进行阐述，通常物体处于稳定的平衡时，分子之间的距离为r0，此时分子引力和分子斥力相等，对外宏观表现也没有形变、要恢复原状的趋势：当物体被不太大的力压缩而形变时，分子位置发生移动，使得分子间距小于r0，分子引力和分子斥力都要增大，但斥力增大得快一些，合力表现为斥力，所以各移位的分子欲回到原位，宏观上得对施力物体施加一个反作用弹力来抗拒形变：同理当物体被不太大的力拉伸而形变时，各移位的分子欲回到原位，同样宏观上得对施力物体施加一个反作用弹力。

但如果外力太大，分子间的距离被拉得太远，分子键断开，分子就会永久滑移到另一个稳定的位置，即使外力移除后，也不能恢复到原来的位置，或者一点点的恢复，而使得物体保留永久的形变，这就是范性形变的微观本质。范性形变的类型有，晶体的孪生、滑移、扭折，理想的刚体等，实际生活中有如图4，瓶子摔碎的瞬间，岩石的断裂的瞬间等。

2.3 再讨论橡皮泥的压缩

很多教师上课都会举压缩橡皮泥的情境，诚如毛老师的分析，橡皮泥在被压缩过程中要同时存在范性、弹性形变，而不仅仅是范性形变。若外力很小时，几乎是绝对的弹性形变；若外力增大到一临界值时，发生明显的范性形变，而且不需增大外力可以使得范性形变变大，表明范性形变对施力物体无弹力的作用；若去掉外力后，会在施力轴方向有微小的膨胀，又属于弹性形变，会对接触的施力物体施加反作用的弹力。因此，举此例来说明弹力的产生须慎重。

3 与它接触的物体问题

原文给出了如图5所示的例子想说明，发生形变的弹簧只对墙壁有弹力的作用，而地面也与弹簧接触，但无相互作用的弹力。从上面的分析来看，形变的产生必须是施力物体与受力物体的相互作用，弹簧径向方向形变是因为墙壁施加的力导致的，只是对施力物体产生反作用弹力，当然不会对所有与之接触的物体形成反作用的弹力。因此，笔者认为作为弹力的定义，无需加上“阻止它恢复原状（或者阻止它形变）”，当然教师课堂上可以适当补充给学生。

4 关于弹力的定义

再看高中物理几个版本的教材中关于弹力定义的表述。人教版、江苏版给出的定义为，发生形变的物体，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；鲁科版、教科版给出的定义为，发生弹性形变的物体。由于要恢复原状，会对与它接触的物体产生力的作用，这种力叫弹力；粤教版给出的定义为：发生形变的物体，会对跟它接触的物体产生力的作用，这种力叫弹力；沪科版给出的定义为，物体发生形变时，会产生一种使物体恢复原状的力，叫做弹力。

综上所述，笔者认为，几套版本的教材中关于弹力的表述，不存在所谓的问题。参考文献：

[1]毛小平，高中物理关于弹力叙述中存在的几个问题[J]，物理教学探讨，2（）13，（2）：52

[2]忻森，弹力的特征分析与应用[J]，中学理科，2003，（8）：16

[3]R.P.费曼，等，费曼物理学讲义[M]，上海：上海科技出版社，第一册，第12章

[4]百度百科，形变http：//baike.baldu.com/view/38962.htm

（栏目编辑 罗琬华）