牛顿第一定律即惯性定律提出了
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牛顿第一定律即惯性定律提出了“保持自己的静止或匀速直线运动状态不变”,这是物体本身的固有属性,即惯性。也就是说运动不需要力来维持,力是
改变物体运动状态的原因。
那么,怎样进一步理解运动和力的关系呢?简单地概括就是:1.如果物体
所受的合外力为零,那么物体就保持静止或保持做匀速直线运动。这时我们称
之为平衡状态。反之,如果物体处于平衡状态,则它所受的外力的合力一定为零。2.如果物体所受的合外力不为零,那么物体就会做变速运动,即物体运动
速度的大小或方向就要发生改变。可以肯定,如果物体在做变速运动,则它所
受的外力的合力一定不为零。
同学们有几个问题常常想不通。例如,“物体不受外力或说合外力为零,将
保持匀速状态或静止状态,这可以理解,那一个物体原来静止,怎么会运动起
来的呢?”原来静止,如果不受外力,就继续静止,必定它受到某一个力才由静
止变为运动;而现在我们所研究的这一段过程中,它不再受力,就保持着这一
速度,匀速直线前进。
比如,宇航火箭向后喷射火焰,受到反作用力,速度不断增加,这是受力
而运动状态由静变运动,速度由小变大的过程。当最后一瞬间,火药气喷完,
它的速度达到7.9千米/秒时,它不再受力;速度就不再变化了,将永远保持这
一速度继续前进。当然,事实上,在这个速度,和此时所处高度的条件下,它
仍受到地球引力的作用,而这个作用力的方向与它的运动方向垂直,就使它的
运动方向不断地改变。同样,因为力和运动方向垂直,不会影响它的运动快慢。所以整个来说,它将进行匀速圆周运动。
还有一个问题,运动的物体受不为零的力,运动状态到底如何变化?一言
难尽。可以分几种情况来讨论。1.如果所受的力与运动方向垂直,如刚才讲的
火箭和卫星,则卫星将保持原来运动的快慢,做匀速圆周运动。2.如果力和运
动方向一致,那么,运动将越来越快,就是说,做加速运动。比如,小汽车起
动后司机继续加大油门,牵引力与运动方向一致,它将加速。反之,行驶的汽车,当司机踩刹车时,汽车还需向前冲出一段距离。这时没有牵引力,只有摩
擦力,即受力的方向与运动方向相反,这时物体做减速运动。为什么这时受力
方向向后而车仍向前运动呢?因为汽车有惯性,要保持原来的运动状态,而只
因为受了力,使它的运动状态受到改变,运动减慢,最后停下来。可见,力不
是使物体运动的原因,而只是改变物体运动状态的原因。有同学想不通;一个
球你不踢它,它就不动,不是力使它运动的吗?这话是对的,但它说明了两点(1)踢球的力使球运动;(2)力改变了球的运动状态。可是如果一个飞过来
的球,在我们观察它的这一段时间和距离中,它从一开始就是运动的,不能说
只有受了力它才运动,而由于地面和空气的阻力慢慢停下来,仍说明力是改变
物体运动状态的原因。而同学们之所以有误解是因为我们身边的东西原来确实
是相对地面静止的。事实上宇宙中的许多物体原来就是运动的,而且运动和静
止本来就是相对的。还有,我们的结论和原理都是相对于进行研究的某一段区
间而言的。因此,力是改变物体运动状态的原因这个判断才说到了问题的实质。
例题1.汽车牵引拖车由静止开始向前运动时,汽车对拖车向前的拉力和拖
车对汽车向后的拉力是一对作用力和反作用力,其大小相等、方向相反。但为
什么是拖车被汽车拉动向前运动,而不是拖车拉动汽车向后运动呢?
分析:汽车与拖车之间的相互作用力确实是符合牛顿第三定律,等大反向的。但是,决定一个物体如何运动的不是只取决于其中某一个力,而要由物体
所受的所有外力的合力来决定。
如图1所示,当汽车牵引拖车起动时,汽车受五个力作用:重力G1、支
持力N1、牵引力F、运动阻力f1及拖车的拉力T1。拖车受力:重力G2、支
持力N2、拉力T2和阻力f2。这里T1=T2。但是决定汽车运动的是它受的五个
力的合力。其中竖直方向G1=N1,合力为零;水平方向F>T1+f1,合力F合
1=F-(T1+F1),方向向前。所以汽车能加速启动。
同样,对拖车来说,决定其运动的也是它受的合力。其中竖直方向G2=N2,合力为零;水平方向T2>f2,合力F合2=T2-f2,方向向前。所以拖车也将向
前加速运动。
例题2.台秤上放一重100牛顿的物体A,物A上端系一根细绳,绕过定滑
轮后绳的另一端再挂重30牛顿的物体B。如图2所示,那么A、B两个物体各
受几个力作用?每个力多大?台秤示数多大?
分析:A物体受竖直向下的重力GA托盘向上的支持力N和绳子的拉力T,B物体受重力GB和拉力T′。GB=30牛,由于二力平衡,T′=GB=30牛,同样
道理,T=T′=30牛。A受的支持力N=GA-T=70牛,托盘秤显示的N′是托盘受
的力,由于托盘受压力N′与A受托盘的支持力N是一对作用力和反作用力,∴
台秤示数N′=N=70牛。
例题3 如图3所示的一架梯子,其上端搭在光滑墙壁上,下端立在水平地
面上静止。试画出梯子的受力分析图
分析:先看B点,梯子B点受到墙的支持力N1′,方向如何呢?因为梯子
B端给墙一个压力,而压力N1是垂直于墙表面的,那么N1的反作用力N1′就
是墙给的,梯子受的,与N1方向相反。同理,梯子的A端受的是地面受的压
力N2的反作用力N2′,垂直于墙面。梯子受重力G这不必说,由于受重力,
墙面又是光滑的,对梯子没有摩擦力,梯子的A端有向左移动的趋势,但A点
没有移动,显然A点受到向右的摩擦力f′。由此可见,梯子受到重力G,墙的