【解析】判断弹力的有无,可以采用拆除法:“拆除”与研究对象(受力物体)相接触的物体(如题中的绳或接触面),如果研究对象的运动状态不发生改变,则不受弹力,否则将受到弹力的作用。各图受力如下图所示。
(三)弹力的大小
对有明显形变的弹簧,弹力的大小可以由胡克定律计算。对没有明显形变的物体,如桌面、绳子等物体,弹力大小由物体的受力情况和运动情况共同决定。
1.胡克定律可表示为(在弹性限度内):F=kχ,还可以表示成△F=△χ,即弹簧弹力的改变量和弹簧形变的改变量成正比。
2.“硬”弹簧,是指弹簧的k值较大。(同样的力F作用下形变量△χ较小)
3.几种典型物体模型的弹力特点如下表。
【例5】
如图所示,两物体重力分别为G1、G2,两弹簧劲度系数分别为k1、k2,弹簧两端与物体和地面相连。用竖直向上的力缓慢向上拉G2,最后平衡时拉力F=G1+2G2,求该过程系统重力势能的增量。
【解析】关键是搞清两个物体高度的增量△h1和△h2与初、末状态两根弹簧的形变量△χ1、△χ2、△χ3、△χ4间的关系。
无拉力F时,△χ1=(G1+G2)/k1,△χ2=G2/k2,(△χ1、△χ2为压缩量)
加拉力F时,△χ3=G2/k1,△χ4=(G1+G2)/k2,(△χ3、△χ4为伸长量)
而△h1=△χ1+△χ3,△h2=(△χ3+△χ4)+(△χ1+△χ2),
系统重力势能的增量△Ep=G1.△h1+G2.△h2,
整理后可得:△Ep=(G1+2G2){(G1+G2)/k1+G2/K2}。
四、摩擦力
(一)摩擦力产生的条件
摩擦力的产生条件为:两物体直接接触、相互挤压、接触面粗糙、有相对运动或相对运动的趋势。这四个条件缺一不可。
两物体间有弹力是这两物体间有摩擦力的必要条件(没有弹力不可能有摩擦力)。
(二)滑动摩擦力的大小
1.在接触力中,必须先分析弹力,再分析摩擦力。
2.只有滑动摩擦力才能用公式f=uFN,其中的FN表示正压力,不一定等于重力G。
【例6】如图所示,用跟水平方向成a角的推力F推重量为G的木块沿天花板向右运动,木块和天花板间的动摩擦因数为μ,求木块所受的摩擦力大小。
【解析】
由竖直方向合力为零可得,FN=Fsinα-G,因此f=μ(Fsinα-G)。
(三)静摩擦力的大小
1.必须明确,静摩擦力大小不能用滑动摩擦定律f=uFFN计算,只有当静摩擦力 达到最大值时,其最大值一般可认为等于滑动摩擦力,即fm=uFN。
2.静摩擦力的大小要根据物体的受力情况和运动情况共同确定,其可能的取值范围是0
【例7】如图所示,A、B为两个相同木块,A、B间的最大静摩擦力fm=5N,水平面光滑。拉力F至少多大,A、B才会相对滑动?
【解析】A、B间刚好发生相对滑动时,A、B间的相对运动状态处于一个临界状态,即可以认为发生了相对滑动,摩擦力是滑动摩擦力,其大小等于最大静摩擦力5N,也可以认为还没有发生相对滑动,因此A、B的加速度仍然相等。分别以A和B整体为对象,运用牛顿第二定律,可得拉力至少为F=10N时才满足题意。
【点评】研究物理问题经常会遇到临界状态。物体处于临界状态时,可以认为同时具有两个状态下的所有性质。
(四)摩擦力的方向
1.摩擦力方向和物体间相对运动(或相对运动趋势)的方向相反。
2.摩擦力的方向和物体的运动方向可能成任意角度。通常情况下摩擦力方向可能和物体运动方向
相同(作为动力),可能和物体运动方向相反(作为阻力),可能和物体速度方向垂直(作为匀速圆周运动的
向心力)。在特殊情况下,可能成任意角度。
【例8】小车向右做初速为零的匀加速运动,物体恰好沿车后壁匀速下滑。试分析下滑过程中物体所受摩擦力的方向和物体速度方向的关系。
【解析】物体受的滑动摩擦力始终和小车的后壁平行,方向竖直向上,而物体相对于地面的速度方向不断改变(竖直分速度大小保持不变,水平分速度逐渐增大),所以摩擦力方向和运动方向间的夹角可能取90°和180°间的任意值。
【点评】由上面的分析可知:无明显形变的弹力和静摩擦力都是被动力。就是说:弹力、静摩擦力的大小和方向都无法由公式直接计算得出,而是由物体的受力情况和运动情况共同决定的。
五、物体的受力分析
(一)明确研究对象
在进行受力分析时,研究对象可以是某一个物体,也可以是保持相对静止的若干个物体。在解决比较复杂的问题时,灵活地选取研究对象可以使问题简洁地得到解决。研究对象确定以后,只分析研究对象以外的物体施予研究对象的力(即研究对象所受的外力),而不分析研究对象施予外界的力。
(二)按顺序找力
先场力(重力、电场力、磁场力),后接触力;接触力中必须先弹力,后摩擦力(只有在有弹力的接触面之间才可能有摩擦力)。
(三)只画性质力,不画效果力
画受力图时,只能按力的性质分类画力,不能按作用效果(拉力、压力、向心力等)画力,否则将出现重复。
(四)需要合成或分解时,必须画出相应的平行四边形(或三角形)
在解同一个问题时,分析了合力就不能再分析分力;分析了分力就不能再分析合力,否则会重复分析。