力物体的平衡

第一章 力 物体的平衡

一、力的分类

1.按性质分

重力（万有引力）、弹力、摩擦力、分子力、电场力、磁场力 ……（按现代物理学理论，物体间的相互作用分四类：长程相互作用有引力相互作用、电磁相互作用；短程相互作用有强相互作用和弱相互作用。宏观物体间只存在前两种相互作用。）

2.按效果分

压力、支持力、拉力、动力、阻力、向心力、回复力 ……

3.按产生条件分

场力（非接触力）、接触力。

二、弹力

1.弹力的产生条件

弹力的产生条件是两个物体直接接触，并发生弹性形变。

2.弹力的方向

⑴压力、支持力的方向总是垂直于接触面。

⑵绳对物体的拉力总是沿着绳收缩的方向。 ⑶杆对物体的弹力不一定沿杆的方向。如果轻直杆只有两个端点受力而处于平衡状态，则轻

O ，重心在P ，静止

在竖直墙和桌边之间。试画出小球所受弹力。 解：由于弹力的方向总是垂直于接触面，在A 点，弹力F 1应该垂直于球面所以沿半径方向指向球心O ；在B 点弹力F 2垂直于墙面，因此也沿半径指

向球心O 。

注意弹力必须指向球心，而不一定指向重心。又由于F 1、F 2、G 为共点力，重力的作用线必须经过O 点，因此P 和O 必在同一竖直线上，P 点可能在O 的正上方（不稳定平衡），也可能在O 的正下方（稳定平衡）。

例2. 如图所示，重力不可忽略的均匀杆被细绳拉住而静止，试画出杆所受的弹力。 解：A 端所受绳的拉力F 1沿绳收缩的方向，因此沿绳向斜上方；B 端所

受的弹力F 2垂直于水平面竖直向上。 由于此直杆的重力不可忽略，其两端受的力可能不沿杆的方向。

杆受的水平方向合力应该为零。由于杆的重力G 竖直向下，因此杆的下端一定还受到向右的摩擦力f 作用。 例3. 图中AC 为竖直墙面，AB 为均匀横梁，其重为G ，处于水平位置。BC 为支持横梁的轻杆，A 、 B 、C 三处均用铰链连接。试画出横

梁B 端所受弹力的方向。

解：轻杆BC 只有两端受力，所以B 端所受压力沿杆向斜下方，其反

作用力轻杆对横梁的弹力F 沿轻杆延长线方向斜向上方。 3.弹力的大小

对有明显形变的弹簧、橡皮条等物体，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。

⑴胡克定律可表示为（在弹性限度内）：F=kx ，还可以表示成ΔF=k Δx ，即弹簧弹力的改变量和弹簧形变量的改变量成正比。

⑵“硬”弹簧，是指弹簧的k 值大。（同样的力F 作用下形变量Δx 小）

⑶一根弹簧剪断成两根后，每根的劲度k 都比原来的劲度大；两根弹簧串联后总劲度变小；两根弹簧并联后，总劲度变大。

例4. 如图所示，两物体重分别为G 1、G 2，两弹簧劲度分别为k 1、k 2，弹簧两端与物体和地面相连。用竖直向上的力缓慢向上拉G 2，最后平衡时拉力F=G 1+2G 2，求该过程系统重力势能的增量。

解：关键是搞清两个物体高度的增量Δh 1和Δh 2跟初、末状态两根弹簧的形变量Δx 1、Δx 2、Δx 1/、Δx 2/间的关系。 无拉力F 时 Δx 1=(G 1+G 2)/k 1，Δx 2= G 2/k 2，（Δx 1、Δx 2为压缩量） 加拉力F 时 Δx 1/=G 2/k 1，Δx 2/= (G 1+G 2) /k 2，（Δx 1/、Δx 2/为伸长量） 而Δh 1=Δx 1+Δx 1/，Δh 2=(Δx 1/+Δx 2/)+(Δx 1+Δx 2) 系统重力势能的增量ΔE p = G 1∙Δh 1+G 2∙Δh 2

整理后可得：()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=∆22121212k G k G G G G E P 三、摩擦力

1.摩擦力产生条件

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）

2.滑动摩擦力大小

⑴在接触力中，必须先分析弹力，再分析摩擦力。

⑵只有滑动摩擦力才能用公式F=μF N ，其中的F N

表示正压力，不一定等于重力例5. 如图所示，用跟水平方向成α角的推力F 推重量为G 花板向右运动，木块和天花板间的动摩擦因数为μ力大小。

解：由竖直方向合力为零可得F N =F sin α-G ，因此有：f =μ(F sin 3.静摩擦力大小 ⑴必须明确，静摩擦力大小不能用滑动摩擦定律F=μF N 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，既F m =μF N

⑵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＜F f ≤F m

例6. 如图所示，A 、B 为两个相同木块，A 、B 间最大静摩擦力F m =5N ，水平面光滑。拉力F 至少多大，A 、B 才会相对滑动？ 解：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，

既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 和整体为对象，运用牛顿

G 1

Δx 2 k 2 G 2 Δx 1 ΔΔk 1

F 1 F 2 F

O 第二定律，可得拉力大小至少为F =10N （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。）

4.摩擦力方向

⑴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。

⑵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7. 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：物体受的滑动摩擦力的始终和小车的后壁平行，方向竖直向上，而物体的运动轨迹为抛物线，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。 由二、三、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。

四、力的合成与分解

1.矢量的合成与分解都遵从平行四边形定则（可简化成三角形定则）

平行四边形定则实质上是一种等效替换的方法。一个矢量（合矢量）的作用效果和另外几个矢量（分矢量）共同作用的效果相同，就可以用这一个矢量代替那几个矢量，也可以用那几个矢量代替这一个矢量，而不改变原来的作用效果。

由三角形定则还可以得到一个有用的推论：如果n 个力首尾相接组成一个封闭

多边形，则这n 个力的合力为零。 在分析同一个问题时，合矢量和分矢

量不能同时使用。也就是说，在分析问题时，考虑了合矢量就不能再考虑分矢量；考虑了分矢量就不能再考虑合矢量。

矢量的合成分解，一定要认真作图。在用平行四边形定则时，分矢量和合矢量要画成带箭头的实线，平行四边形的另外两个边必须画成虚线。

各个矢量的大小和方向一定要画得合理。

在应用正交分解时，两个分矢量和合矢量的夹角一定要分清哪个是大锐角，哪个是小锐角，不可随意画成45°。（当题目规定为45°时除外）

2.应用举例 例8. A 的质量是m ，A 、B 始终相对静止，共同沿水平面向右运动。

当a 1=0时和a 2=0.75g 时，B 对A 的作用力F B 各多大？ 解：一定要审清题：B 对A 的作用力F B 是B 对A 的支持力和摩擦力

的合力。而A 所受重力G =mg 和F B 的合力是F =ma 。 当a 1=0时，G 与 F B 二力平衡，所以F B 大小为mg ，方向竖直向上。