高中物理竞赛基础：常见的力.pdf

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1、第一讲力、物体的平衡 1.1 常见的力1 11、力的概念和量度惯性定律指出，一个物体，如果没有受到其他物体作用，它就保持其相对于惯性参照系的速度不变，也就是说，如果物体相对于惯性参照系的速度有所改变，必是由于受到其他物体对它的作用，在力学中将这种作用称为力。凡是讲到一个力的时候，应当说清楚讲到的是哪一物体施了哪一个物体的力。一个物体，受到了另一物体施于它的力，则它相对于惯性参照系的速度就要变化，或者说，它获得相对于惯性参照系的加速度，很自然以它作用于一定的物体所引起的加速度作为力的大小的量度。实际进行力的量度的时候，用弹簧秤来测量。重力由于地球的吸引而使物体受到的力，方向竖直向下，在地面附近，

2、可近似认为重力不变（重力实际是地球对物体引力的一个分力，随纬度和距地面的高度而变化）弹力物体发生弹性变形后，其内部原子相对位置改变，而对外部产生的宏观反作用力。反映固体材料弹性性质的胡克定律，建立了胁强（应力）sF与胁变（应变）ll之间的正比例关系，如图所示E式中 E 为杨氏弹性模量，它表示将弹性杆拉长一倍时，横截面上所需的应力。弹力的大小取决于变形的程度，弹簧的弹力，遵循胡克定律，在弹性限度内，l lF图 1-1-1 弹簧弹力的大小与形变量（伸长或压缩量）成正比。F=-kx 式中 x 表示形变量；负号表示弹力的方向与形变的方向相反；k 为劲度系数，由弹簧的材料，接触反力和几何尺寸决定。接触反

3、力限制物体某些位移或运动的周围其它物体在接触处对物体的反作用力（以下简称反力）。这种反力实质上是一种弹性力，常见如下几类：1、柔索类（图 1-1-2）如绳索、皮带、链条等，其张力拉物体指向沿柔索方位:T一般不计柔索的弹性，认为是不可伸长的。滑轮组中，若不计摩擦与滑轮质量，同一根绳内的张力处处相等。2、光滑面（图 1-1-3）接触处的切平面方位不受力，其法向支承力压物体指向沿法线方位:N3、光滑铰链物体局部接触处仍属于光滑面，但由于接触位置难于事先确定，这类接触反力的方位，除了某些情况能由平衡条件定出外，一般按坐标分量形式设定。A B C cNBNGA GA ANA 图 1-1-3 G T T

4、T T 图 1-1-2 G（1）圆柱形铰链（图1-1-4,图 1-1-5，图 1-1-6）由两个圆孔和一个圆柱销组成。在孔的轴线方向不承受作用力，其分力待定指向轴沿方位:xX待定指向轴沿方位:yY图中 AC 杆受力如图，支座B 处为可动铰，水平方向不受约束，反力如图。（2）球形铰链（图1-1-7,图 1-1-8）由一个球碗和一个球头组成，其反力可分解为待定指向沿坐标轴方位:ZYX4、固定端（图 1-1-9，图 1-1-10）如插入墙内的杆端，它除限制杆端移动外，还限制转动，需增添一个反力偶AM。待定指向沿坐标轴方位:YX待定转向平面力系作用面方位:AM摩擦力物体与物体接触时，在接触面上有一种阻

5、止它们相对滑动的作用A 图 1-1-4 A B C 1FByF图 1-1-5 1FAycyxcx图 1-1-6 FFAyAxAZA 图 1-1-7 图 1-1-8 FqA 图 1-1-9 FA AMAx图 1-1-10 Ay力称为摩擦力。不仅固体与固体的接触面上有摩擦，固体与液体的接触面或固体与气体的接触面上也有摩擦，我们主要讨论固体与固体间的摩擦。112、摩擦分为静摩擦和滑动摩擦当两个相互接触的物体之间存在相对滑动的趋势（就是说：假如它们之间的接触是“光滑的”，将发生相对滑动）时，产生的摩擦力为静摩擦力，其方向与接触面上相对运动趋势的指向相反，大小视具体情况而定，由平衡条件或从动力学的运动方

6、程解算出来，最大静摩擦力为Nf0max式中0称为静摩擦因数，它取决于接触面的材料与接触面的状况等，N 为两物体间的正压力。当两个相互接触的物体之间有相对滑动时，产生的摩擦力为滑动摩擦力。滑动摩擦力的方向与相对运动的方向相反,其大小与两物体间的正压力成正比。Nf为滑动摩擦因数，取决于接触面的材料与接触面的表面状况，在通常的相对速度范围内，可看作常量，在通常情况下，与0可不加区别，两物体维持相对静止的动力学条件为静摩擦力的绝对值满足Nffmax在接触物的材料和表面粗糙程度相同的条件下，静摩擦因数0略大于动摩擦因数。摩擦角令静摩擦因数0等于某一角的正切值，即tg0，这个角就称为摩擦角。在临界摩擦（将

7、要发生滑动状态下）,tgNf0max。支承面作用于物体的沿法线方向的弹力N与最大静摩擦力maxf的合力 F（简称全反力）与接触面法线方向的夹角等于摩擦角，如图1-1-11 所示（图中未画其他力）。在一般情况下，静摩擦力0f未达到最大值，即tgNfNfNf00000,因此接触面反作用于物体的全反力F的作用线与面法线的夹角Nfarctg0，不会大于摩擦角，即。物体不会滑动。由此可知，运用摩擦角可判断物体是否产生滑动的条件。如图1-1-12 放在平面上的物体A，用力 F 去推它，设摩擦角为，推力 F 与法线夹角为，当时，无论 F 多大，也不可能推动物块A，只有时，才可能推动 A。摩擦力作用的时间因为

8、只有当两个物体之间有相对运动或相对运动趋势时，才有摩擦力，所以要注意摩擦力作用的时间。如一个小球竖直落下与一块在水平方向上运动的木块碰撞后，向斜上方弹出，假设碰撞时间为t，但可能小球不需要t时间，在水平方向上便已具有了与木块相同的速度，则在剩下的时间内小球和木块尽管还是接触的，但互相已没有摩擦力。如图 1-1-14，小木块和水平地面之间的动摩擦因数为，用一个与水平方向成多大角度的力F 拉着木块匀速直线运动最省力？将摩擦力f和地面对木块的弹力N 合成一个力F，摩擦角为N F Ffm 图 1-1-11 A F 图 1-1-12 v 图 1-1-13 F N FfG F G F图 1-1-14 11

9、tgNftg，这样木块受三个力：重力 G，桌面对木块的作用力F和拉力 F，如图 1-1-14，作出力的三角形，很容易看出当F 垂直于FF 时最小，即有 F 与水平方向成1tg时最小。例1、如图 1-1-15 所示皮带速度为0v，物 A 在皮带上以速度1v垂直朝皮带边运动，试求物A所受摩擦力的方向。解：物 A相对地运动速度为rrVVVV01,，滑动摩擦力 f 与rV方向相反如图所示。例 2、物体所受全反力 R与法向的夹角m的情形可能出现吗？解：不可能。因为若有m则mtgtga即Nf。maxff，这是不可能的。然而在要判断一个受摩擦物体是否静止时，可事先假定它静止，由平衡求出)(1NFtg,有如下三种情形：滑动临界状态静止mmm1F2F3F4F合F图 1-1-16 A 1V0VA 1V0Vf图 1-1-15