牛顿第一定律与受力分析技巧讨论

2018-05-18王泽宇

物理通报 2018年5期

王泽宇

(保定市第一中学河北保定 071000)

牛顿定律已经提出了300多年，人们对于牛顿定律已经非常熟悉.但是当今很多物理学的教科书对于牛顿第一定律的认识并不合理.本文主要论述了牛顿第一定律与受力分析技巧，帮助人们更加深入地理解牛顿第一定律.

1 牛顿第一定律的概述

牛顿第一定律：任何物体可以保持静止或者匀速直线运动，除非在这个物体上面产生了作用力，就会使物体改变这种状态.但是需要注意的是，牛顿第一定律的本质并不是对于说所有的物体都具有惯性.如果第一定律的实质描述物理的惯性，那么牛顿第一定律就没有独立存在的意义了，因为牛顿第二定律不仅描述了物体惯性，而且还可以利用质量m描述物质的惯性大小，因此牛顿第一定律被称作是惯性定律并不是牛顿的本意.

牛顿第一定律的实质应该是：牛顿第一定律给出一个不受力和所受合力为零的物体系，这个系统不会改变运动状态，也就是说这个系统不存在加速度的情况，而物理学当中研究的问题通常都是相对的，以固定的物体作为参照物，牛顿第一定律就给出了惯性系，这样一来物理问题的研究也会更具意义.

2 牛顿第一定律的受力分析技巧

2.1 利用假设法判定物体的运动状态

要想分析力学受力情况，就要准确地判断物理的实际状态，可以进一步确定物体的受力条件.作用力的存在就是保证具备合理的施力对象，这样也可以判断物体是否受力，在物理当中，特殊的运动状态就是静止和匀速直线运动两种.通过牛顿第一定律可以明确这两种状态的影响下研究系统受力情况，可以达到平衡状态，或者物体受到的合外力为零，结合这种特殊的受力关系，可以实现定量求解.

在分析受力过程中比较常用的技巧就是假设法，假设物体在实际运动过程中受到该力的影响，那么物体原来的运动状态一定会受到改变，对比最终的运动特征和假设当中的信息，这样才可以验证假设的力，物理受力分析也会具备更加客观的依据，初学者就不会臆断受力的特征.利用假设法反推的过程中，通常都需要判定特殊位置，流入物体之间具有明显的接触，那么很多人都会将连接触点作为力的作用点，这样就主观设想了力的存在.真正的力学规律并不是由接触判断力，需要在物体接触过程中发生的形变或者挤压等，利用牛顿第一个定律，通过状态反推才可以得到最终验证.

【例1】如图1所示，小球和水平面以及台阶处于接触状态，并且属于静止的状态，分析小球的受力情况.

图1 例1题图

这道题的信息较少，小球处于静止状态，就可以明确小球的合外力为零.但是不能确定小球和水平面的表面特征，粗糙接触和光滑接触对于受力分析具有不同的影响，因此分析小球的受力情况需要结合接触面是否存在摩擦的情况.

首先如果接触面是光滑的，小球水平方向保持静止，那么小球在水平方向上没有受力，虽然小球接触到墙壁，但是并不会受到弹力的作用.利用假设法进行验证，假设存在弹力，这样小球水平方向受力不能为零，小球就无法保持静止，那么题设就不存在，因此可以确定不存在该弹力.

此外小球和水平地面之间接触面是粗糙的，这样就无法确定小球在水平方向的合理效果，需要深入的讨论：如果小球不具备向右的运动趋势，结合摩擦力的条件，可以明确这个时候小球不会受到摩擦力的影响.如果小球具备向右运动趋势，那么界面就会存在摩擦力，以此小球如果在水平方向上保持静止，那么竖直墙壁对于小球就要产生向右的弹力.

2.2 以平衡状态为核心利用整体隔离思想

牛顿第一定律表示改变物理运动状态的唯一原因就是力，因此运动状态和作用力之间具有密切的关系，但是这一结论并没有具体的求解方式.物理受力分析目的就是认识物理所处的状态的固有理论，不仅需要遵循力与运动的关系，还要确定系统平衡的状态.物理的平衡状态是静止或者匀速直线运动，系统接收的合外力就是零，以此为核心，可以确定力学问题的主线.

但是研究物体状态不能脱离系统，研究任何物理规律都需要一定的参考系统，研究系统内部首先需要划分对象，选取恰当的研究对象，有利于更加便利的解题.在复杂的系统物理受力分析当中，整体法和隔离法可以简化复杂的物体模型，使解题效率得到提升.

【例2】如图2所示，在光滑水平面上有一个小车，小车上固定一个磁铁，一个人利用木杆吊着一块出台，两块磁铁之间具有一定的间隙，并且始终保持不变，描述小车的实际状态.

图2 例2题图

利用整体思想，车、人、磁铁属于一个整体，两块磁铁之间保持不变的距离，那么磁铁运动的前后都是保持恒定的，并且处于平衡的状态.因此磁铁和车是一个整体，只有在不受力或者合外力为零，小车运动功能状态才可以保持静止或者匀速直线运动.通过整体分析思想，使系统内部的相互作用得到简化，只要在宏观角度对于整体的受力和运动状态进行分析就可以获得答案.