小物和小理的物理对话录(73) ——力的分解在生活中的应用

刘亚英 孟卫东(特级教师)

前言:小物和小理是两名普通的高中生,他们酷爱物理,在学习物理的过程中,小物经常向小理提出许多刁钻而有趣的物理问题,了解他们的故事也能让你的物理达到新的高度．

1 对话录

小物:天气越来越冷了,最近我注意到我们学校的食堂也换上了自吸式门帘,这样我们在吃饭的时候就不会感觉冷了．

小理:哈哈,你观察得还挺仔细的．那你有没有注意到怎样打开这种门帘最省力呢?

小物:这个也有窍门吗?你不要告诉我这里面也涉及物理知识吧?

小理:哈哈,当然涉及物理知识了,生活中处处有物理哦!

小物:那你快来给我讲讲吧,到底怎样打开最省力?这里面又涉及什么物理知识呢?

2 小理的解释

我们首先来看一道2018年高考天津理综卷选择题.

例明朝谢肇淛《五杂组》中记载:“明姑苏虎丘寺庙倾侧,议欲正之,非万缗不可．一游僧见之，曰:无烦也,我能正之．”游僧每天将木楔从塔身倾斜一侧的砖缝间敲进去,经月余扶正了塔身．假设所用的木楔为等腰三角形,木楔的顶角为θ,现在木楔背上加一力F,方向如图1,木楔两侧产生推力FN,则( ).

图1

A. 若F一定,θ大时FN大

B. 若F一定,θ小时FN大

C. 若θ一定,F大时FN大

D. 若θ一定,F小时FN大

分析木楔背上所加的力F产生两个效果,分别向木楔两侧产生垂直于侧面的推力,推力的大小由F的大小和楔角θ决定.根据力的分解,画平行四边形,如图2所示,力F对木楔侧面产生的推力分别为F1和F2.若θ一定,当力F增大为F′时,所对应的推力F3和F4也相应增大,选项C正确．若F一定,如图3所示,θ角所对应的推力分别为F1和F2,当楔角变大为θ′时,推力分别为F3和F4,可见推力变小了,因此选项A错误,选项B正确．所以正确答案为B、C．

图2 图3

图4

由分析过程可知,楔角θ越小,对木楔侧面的推力越大．推门帘的过程可以类比为用木楔插入门帘缝隙的过程,如图4所示,此时的木楔其实就是手,且此时的楔角几乎为0,所以只要轻轻一推,就能对两侧门帘产生一个较大的推力,很轻易就推开啦!

生活中类似的应用还有很多,比如用刀切肉或者斧头劈柴,刀刃或斧刃的横截面是一个三角形,与木楔类似．以斧头劈柴为例,如图5所示,向下的力F产生两个效果,分别是垂直于斧侧面的两个压力.由平行四边形定则,画出力的分解示意图如图6所示.由上面的分析过程可知,斧的劈角θ越小,对两侧的压力越大,就越容易劈开木柴,所以我们生活中见到的刀刃或斧刃都很薄,也就是θ很小．但任何事情都有两面性,由作用力与反作用力的关系可知,斧头对木柴的作用力大,木柴对斧头的反作用力也大,容易卷刃或卡住拉不出来．所以说并不是θ越小越好,还要根据实际情况来确定．生活中我们用的普通刀的刃很薄,适合切肉类、蔬菜等食材,但剁骨刀的刃要相对厚一些,需要用的力气大一些，而劈柴用的斧刃和刀背则更厚一些．

图5 图6

换个角度看,由图3可知,楔角θ越小,可以理解为两个分力(F1、F2)之间的夹角越大,当合力F一定时,两分力之间的夹角越大,两个分力就越大．所以细心的同学一定注意到户外高压线是呈下弯弧形的,不是拉得很直．当在高压线上落一物体时,相当于给高压线施加一向下的力,如果线拉得太直,即两分力之间的夹角很大,一个很小的向下的力可能就会使高压线承受很大的力,易使高压线损坏．

小物:哇!小理你太厉害了!我最佩服的就是你总能把物理知识和生活联系起来,听你讲物理总感觉那么有趣,一点也不枯燥．

小理:物理本身就是一门与生活联系紧密的学科,来自生活又应用于生活．我们要善于把知识和实际联系起来.新课程改革重视从真实情境中提炼物理问题,也是为了促使我们把课本知识和生活实际联系起来,用物理知识去解决实际生活中的问题,做到真正的学以致用．

小物:希望同学们在学习物理的过程中都能像小理一样,多联系实际.这样才会觉得学到的知识是有用的,学起来才更有动力．我想这也是物理学科核心素养中的必备品格和关键能力之一吧．