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第三章 相互作用与力的平衡
主讲教师：XXX
第一节 生活中的常见力
目录01重力02弹力03摩擦力运动员将杠铃举过头顶后保持不动
举重运动员运用力量与技巧举起杠铃，展现出力与美。图中，登山运动员脚蹬、手攀，在峭壁上攀爬。运动员的举重过程、登山过程均与重力、弹力、摩擦力的作用有关，这些都是生活中常见的力，如何表示和描述这些力呢!
影响力作用效果的因素
——力的三要素
力的大小、方向和作用点
（1）力的大小可用测力计(弹簧秤)测量。
（2）三要素相同的力，作用效果相同；大小、方向相同，仅作用点不同，力的作用效果也可能相同（例如推力和拉力）。
1、力的概念：在物理学中，人们把物体与物体之间的相互作用，称为力（force）。
如果一个宏观物体的运动状态发生变化或者这个物体发生了形变，那么这个物体就受到了力的作用。
2.力的作用效果
（2）改变物体的运动状态(动力效果)
（1）使物体发生形变（静力效果）
3.力的性质
（1）物质性：力不能离开物体而独立存在，必同时存在施力物体和受力物体。
（2）相互性： 物体间力的作用是相互的，即力总是成对出现。
（3）矢量性：力不仅有大小，而且有方向，是矢量。
（4）独立性：一个物体可能同时受多个力作用，每一个力都产生独立的作用效果。
4.力的分类：
性质力（力的产生来源命名）：重力、弹力、摩擦力、分子力、电场力、磁场力等.
效果力（力的作用效果命名）：压力、支持力、拉力、推力、动力、阻力、吸引力、排斥力等.
内力和外力（力的作用对象命名）
不同之处：
①标度；
②等分线段并加刻度线
如何来表示一个力？
（1）力的图示：精确表示（大小、方向、作用点）
（2）力的示意图：粗略表示（方向、作用点）
重力
成熟的苹果最终会落到地上，这是因为苹果受到重力的作用，那么重力是谁施加的呢？怎量量度重力的大小呢？重力的方向如何？作用点有在哪里呢？
1、定义：物体在地面附近由于地球的吸引而受到的力称为重力（gravity），用字母 G 表示。
2、重力 G 与质量 m 的关系：G = mg其中 g 就是前面学过的重力加速度。
3、重力性质：重力不仅有大小，还有方向。重力的方向总是竖直向下。
4、重心：一个物体的各个部分都受到重力的作用。从效果上看，我们可以认为各个部分受到的重力集中作用于一点，这个点称为物体的重心（center of gravity）
5、单位：牛顿，简称牛，符号用N表示
重点注意
（1）重力不等于地球的吸引力，它只是地球吸引力的一部分；
（2）重力的施力物体是地球；
（3）重力是非接触力；
（4）地面附近的物体都受重力，与物体所处的运动状态、速度大小无关；
(5)不能说重力就是地球对物体的吸引力（G≤F引）；
(6)地球上一切物体都受重力作用，物体所受重力的施力物体是地球；
(7)物体所受的重力与它所处的运动状态、速度大小、是否接触无关。
一串葡萄
画一串葡萄受到的重力，是画出每一个葡萄的受到的重力还是整体画一个重力呢？
各部分都要受
到重力作用
等效
各部分受
到的重力
作用集中
于一点
重力的作用点——重心
（1）影响重心位置的因素：
（2）重心位置的确定：
②形状不规则的物体：
①形状规则的均匀物体：
质量分布、形状
几何中心；
悬挂法。
（3）物体的重心可以不在物体上，重心也不是物体上最重的点。
如：桌椅、板凳……
重心的位置是可以变化的，重心也不一定在物体上。
悬挂法确定薄板重心
可以应用二力平衡的知识通过实验来确定形状不规则物体的重心位置。例如，要确定图中薄板的重心位置，可以先在 A 点把物体悬挂起来，通过 A 点画一条竖直线 AB，由于 A点悬线的拉力跟薄板的重力平衡，薄板的重心必定在 AB 连线上；然后，
再选另一处 D 点把物体悬挂起来，
过 D点画一条竖直线 DE，薄板的
重心必定在 DE 连线上。因此，
AB和 DE的交点 C，就是薄板的重心。
重心的位置与物体的形状和质量分布有关。运动员完成高难度平衡动作时，其支撑点一定刚好处于重心的正下方
形状规则、质量分布均匀的物体，重
心就在它的几何中心，用 C 表示重心的位
置
弹力
弹力也是生活中常见的力。我们通常说的绳子的拉力、桌面的支持力等具有相同的产生原因，都属于弹力。由生活经验可知，弹力与形变直接相关。
一切物体在力的作用下都会产生形变,有的物体形变较为明显;有的物体的形变极其微小。
如果形变过大，超过一定限度，物体的形状将不能完全恢复，这个限度叫做弹性限度
弹力和形变有什么关系？
有的物体形变很明显，容易观察，有的物体形变很难直接观察，我们可以用实验验证其存在。
形变：物体在力的作用下的形状或体积会发生改变。
想一想：任何物体受到力，是否一定发生形变？
一定发生形变，只是有的形变明显（明显形变），有的不明显（微小形变）。
一块剖面为三角形的有机玻璃压在另一块有机玻璃上，发生的形变肉眼不能看出。但是形变后，当特殊的光通过有机玻璃不同部位时，产生的花纹会发生变化，利用仪器可以看到这种差异。
发生弹性形变的物体，由于要恢复原状，会对引起形变的物体施加力的作用，这种力
称为弹力（elastic force）。
弹力是由于弹性形变引起的，我们所熟悉的弹簧测力计测量物体所受重力的原理就是
利用弹簧的形变进行测量的。
定义：发生弹性形变的物体由于要恢复原状，对与它接触的物体产生力的作用，这种力叫做弹力。
弹力产生条件
相互接触
发生弹性形变（相互挤压）
两者需同时满足
弹力产生过程
弹力产生过程：
力→形变→在恢复原状→对接触物体生作用
弹力的方向：
（1）压力和支持力
①面面接触：
弹力垂直接触面
②点面接触：
弹力通过接触点而垂直接触面
探究弹簧弹力与形变量的关系
实验原理与实验过程
1.实验目的
（1）探究弹簧弹力和弹簧伸长的关系
（2）培养学生实验探究的科学方法
2. 实验原理
弹簧受到拉力作用会伸长，平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等；弹簧的伸长量越大，弹力也就越大.
3. 实验器材
铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸.
4.实验步骤
（1）安装实验仪器(如图所示).
（2）测量弹簧的伸长量(或总长)及所受的拉力
(或所挂钩码的质量)，列表作出记录，要尽可能
多测几组数据
（3）根据所测数据在坐标纸上描点，以力为纵坐标，
以弹簧的伸长量为横坐标.
（4）按照在图中所绘点的分布与走向，尝试作出一条平滑的曲线(包括直线)，所画的点不一定正好在这条曲线上，但要注意使曲线两侧的点数大致相同.
实验数据处理
以弹簧的弹力 F（与弹簧下端所挂钩码受到的重力大小相等）为纵轴、弹簧的形变量 x 为横轴建立坐标系，在坐标系中描出实验测得的各个数据点，并根据这些数据点画出 F-x 图像。在误差允许的范围内，这些点近似分布在一条过原点的直线上。
以弹力 F 为纵轴、形变
量 x 为横轴建立坐标系
大量的实验表明，在一定条件下，弹
簧发生弹性形变时弹力的大小 F 与弹簧形
变量的大小 x 成正比，即
F = kx
式中的 k 称为弹簧的劲度系数（stiffness coefficient），单位是牛顿 / 米，符号是 N/m。通常形容弹簧时所说的有的弹簧“硬”，有的弹簧“软”，指的就是它们的劲度系数不
同。这个规律是由英国科学家胡克（R. Hooke，1635—1703）在实验中发现的，称为胡克定律（Hooke’s law）。
胡克定律
（1）概念：在弹性限度内，弹簧的弹力大小与弹簧的伸长量（或压缩量）成正比。
（2）公式：F=kx 或△F=k△x
其中：k——弹簧的劲度系数(其大小只跟弹簧的形状、大小、长短、钢丝的线径、材料等因素有关，与弹簧受到多大的弹力无关)，单位为N/m。
x为弹簧在拉力F作用下的伸长量或压缩量。
（3）适用范围：此公式适用于弹性限度内，弹簧（或类弹簧物体）的拉伸或压缩形变。
发生弹性限度的物体，如果形变过大，超过一定的限度，撤去作用力后，物体不能回复原来的形状，这个限度叫做弹性限度
弹力作用在物体与物体接触的点或面上，其作用点是相互作用的物体直接接触并发生弹性形变的位置，方向总是指向发生弹性形变物体恢复原状的方向。
质量均匀分布的木棒一端被竖直的弹性绳悬吊，另一端搁在水平地面上。木棒除了受到重力外还受到几个弹力的作用？说说这些弹力的施力物体，并画出木棒所受弹力的示意图。分析：木棒分别与弹性绳和地面接触，使绳被拉伸，同时使地面向下凹陷。木棒在这两处均受到弹力的作用，分别指向弹性绳和地面恢复原状的方向，都竖直向上。这两处向上的弹力就是绳子的拉力和地面的支持力。
各类接触面上的弹力方向
A
B
平面与平面
弹力垂直于平面
曲面与平面
过接触点垂直平面指向受力物体
点与平面
过接触点垂直平面指向受力物体
Ｎ１
点与曲面
与过接触点的切面垂直并指向受力物体
曲面与曲面
与过接触点的公切面垂直并指向受力物体
A
B
各类接触面上的弹力方向
轻杆的含义：
不计质量、不发生形变的杆
1.可拉可压；
2.杆所受的力不一定沿杆的方向；
轻杆的弹力
轻杆受力特点：
FN
FN
摩擦力
我们已经知道，两个相互接触的物体发生相对运动或具有相对运动的趋势时，就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力，这种力称为摩擦力（friction force）。
如何确定摩擦力？
摩擦力分类
滚动摩擦力
静摩擦力
滑动摩擦力
父亲轻轻地沿水平方向推箱子，箱子有相对于地面向前运动的趋势，但仍相对于地面静止。根据二力平衡的原理，一定有一个与推力大小相等、方向相反的力存在。这个力就是地面对箱子的摩擦力。由于此时箱子与地面间相对静止，这个摩擦力称为静摩擦力（static friction force）。静摩擦力沿着接触面作用于物体，与物体相对运动趋势的方向相反。
1.两物体相互接触且有挤压
静摩擦力产生的条件：
轻推：不动
用力：还不动
物块静止在斜面上
2.接触面不光滑（粗糙)
3.两物体间有相对运动趋势
静摩擦力的大小随推力的增大而增大F静=F
当人的水平推力增大到某一值Fmax时候，物体就要滑动，此时静摩擦力达到最大值，我们把Fmax叫最大静摩擦力。
两物体间的静摩擦力F静在0与最大静摩擦力Fmax之间，即0 < F静≤ Fmax
当一个物体相对另一个物体滑动时，接触面间的摩擦力称为滑动摩擦力（sliding friction force）。
大量事实表明，滑动摩擦力的大小与接触面的材料、粗糙程度等因素有关，且与压力成正比。如果用 Ff 表示滑动摩擦力的大小，用 FN 表示压力的大小，则有
Ff = μFN
式中 μ 称为动摩擦因数（dynamic friction factor），是两个力大小的比值，无单位。μ 的数值与相互接触的两个物体的材料、接触面的情况（如粗糙程度）等因素有关。
通常滑动摩擦力的大小略小于同等压力下的最大静摩擦力。
滑动摩擦力的大小跟压力成正比，即
F＝μFN
动摩擦因数：比例常数，无单位，与接触面的材料及粗糙程度有关，一般μ<1
正压力
与接触面的面积无关
滑动摩擦力的大小
由公式F＝μFN计算(也可以由二力平衡来求解)
(1)FN是两个相接触的物体间的压力，FN的大小可以与重力G大小相等，也可以不等。
(2)动摩擦因数μ的大小由接触面的材料和接触面的粗糙程度决定，与FN无关。
(3)滑动摩擦力的大小与接触面的面积无关，与物体间相对运动速度的大小无关。
滑动摩擦力的大小
近代科学告诉我们，自然界只存在四种基本的相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。由于分子或原子都是由带电粒子组成的，它们之间的作用力主要是电磁相互作用。相互接触物体间的弹力、摩擦力等都是相互靠近的原子或分子间的电磁相互作用的宏观表现。

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