例谈物体受力分析教学

张昱罡

[例]在空间有水平方向、彼此垂直正交的匀强电场和匀强磁场，场强分别为E和B，有一足够长的直杆竖直放置电、磁场中，有一带电小球穿过直杆上，小球可在直杆上上下滑动。若小球质量为m，带电量为q，小球与杆的动摩擦因素为u，当小球从静止开始释放后，则在什么情况下小球有最大速度？最大速度是多少？什么情况下有最大加速度？最大加速度是多少？

[分析]以小球为研究对象，小球刚开始释放时速度V=0不受磁场力作用，受到的非接触力只有重力，电场力F电；受到的接触力有支持力N和摩擦力f摩。小球开始下滑后，速度由0开始不断增加，从而导致洛伦兹力从0开始不断增大，小球对杆的压力、小球受到的摩擦力逐渐减小，其合力、产生的加速度逐渐增大。当f洛增大到f洛=F电即V=E/B时，小球对杆的压力N=0，摩擦力f摩减小为0，加速度达到最大am=g。小球从加速度g开始继续加速下滑时，f洛从等于F电开始继续增大，小球又受到与原方向相反的支持力作用，且不断增大，摩擦力也随之从零开始不断增加，加速度就不断减小，当f摩增大到等于G时，a=0

从此题的分析求解看，进行正确的受力分析应该注意以下几点：

一、分析力要全面，不臆加、不遗漏

物体的受力可以两方面考虑，一方面为非接触力，如，重力、电场力、磁场力等；另一方面考虑研究对象所处的环境有哪些物体与之接触，由此找到摩擦力、弹力等接触力，按先非接触力，后接触力的顺序分析受力，可防止“漏力”。力是物体与物体的相互作用，没考虑一个力时，最好自问一下，它是哪个物体对研究对象的作用，这可防止“添力”。

二、结合物体的运动状态进行分析

物体的初始状态和受力情况决定物体的运动状态，因此，常用物体的运动状态去分析物体的受力情况。上例中因物体在水平方向上加速度为零，得出此方向上合力为零，从而确定支持力的大小等于电场力和磁场力的合力，方向与电场力、磁场力的合力方向相反。

三、特别注意被动力

没有固定的大小和方向，其大小和方向由其他力和物体运动状态决定的力称为被动力。如，弹力、摩擦力等，因被动力的不确定性，分析被动力时尤其要注意以下几点。

1.要注意被动力存在的条件

摩擦力存在的条件是：（1）物体间要接触，且接触面不光滑；（2）接触面间有相互的弹力作用；（3）有相对运动或相对运动的趋势。洛伦兹力存在的条件是：（1）电荷在磁场中要运动；（2）电荷运动的方向不能与磁场方向平行。

所以上例中小球开始下落时V=0，小球不受洛伦兹力作用。小球下落到f洛=F电时，杆与球间无弹力，因而无摩擦力存在。

2.要注意决定被动力大小和方向的因素

若将上例中的磁感应强度B的方向反向，则小球受到的洛伦兹力方向与电场力方向相同，受到的洛伦兹力的大小随速度的增大而增大，小球在运动过程中，先是摩擦力不断增大，小球加速度不断减小，当f摩=G时，小球就做匀速运动。受力分析是分析、求解力学问题的基础，在整个高中物理教学中占有极其重要的地位，我们应特别注意分析和总结。

编辑 王团兰endprint