高中物理關于彈力的敘述真的存在問題嗎

摘要：本文針對本刊2013年第二期（上半月）刊登了毛小平老師的一篇文章《高中物理關于彈力敘述中存在的幾個問題》（以下簡稱《原文》），提到的有關彈力的方向、彈性形變、接觸物體等問題進行再議。

關鍵詞：彈力；彈性形變；范性形變；接觸

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2013）10（S）-0036-2

彈力的概念比較抽象，而彈力的方向一直都是教學的難點，此外彈力的產生條件也是學習的易混點。《原文》中對彈力相關的幾個問題進行了討論，筆者認為有所不妥，特此再議，希望能拋磚引玉共同探討。

1 彈力方向的問題

為了說明彈力方向的問題，《原文》中舉例如圖1，鐵棒的兩端固定，用酒精燈對其加熱（或者用冰塊冷卻，以下分析略），毛老師得出，兩端的墻壁受到的彈力方向與鐵棒的形變趨勢方向相同，從而認為，司南版高中教材敘述的“彈力的方向總與形變的趨勢相反，以使物體恢復原狀。”考慮不全，是這樣的嗎？

筆者認為，毛老師如果分析鐵棒受到的彈力方向與墻壁的形變關系是很容易的。會是如下過程，墻壁受到的彈力垂直于墻壁指向兩端，是鐵棒向兩端形變。引起墻壁向兩端形變；而施加了給鐵棒指向中間的彈力，以使墻壁恢復原狀。這里鐵棒受到墻壁的彈力方向與墻壁的形變趨勢相反，以使墻壁的形變恢復，結果與教材敘述相同。

那為什么毛老師在分析墻壁的彈力方向與鐵棒的形變時，卻得到了墻壁受到的彈力方向與鐵棒的形變趨勢相同的錯誤結論呢？原因在于鐵棒最初的形變并不是彈力定義里面的形變。對于彈力的形變，百度百科上的定義為，凡物體受到外力而發生形狀變化謂之“形變”。但是，毛老師顯然是誤解了鐵棒熱脹冷縮而出現的形變。從分子動理論的角度來看，溫度升高（或降低），分子熱運動加快（減慢），再次分子間隙要增大（縮小），所以出現了力的作用以及形變，這里形變與外力無關；再次這個形變無施力物體，被動形變無從談起。

那么在分析墻壁的彈力方向與鐵棒的形變時，果真為一特例嗎？否。以鐵棒右端為例分析過程如圖2，鐵棒最初的內部形變引起了墻壁受到向右的外力，墻壁向右形變的趨勢1，墻壁要恢復原狀1，對鐵棒有向左的形變2，鐵棒要向右恢復原狀2，從而對墻壁產生向右彈力。故，墻壁的彈力方向還是與鐵棒的形變方向相反的。

因此，物體受到彈力的方向總與施力物體的形變的趨勢相反，以使施力物體恢復原狀。原教材的表述不存在問題。

2 彈力定義里的形變一定是彈性形變的問題

2.1 “形變”應該加上“彈性”的限制

《原文》中為了說明問題所在，引入了橡皮泥被壓的情境（圖3），按照毛老師的分析，橡皮泥雖被壓扁了，但仍然有微小的恢復，因此，應該得到彈力的產生是彈性形變才對，怎么能把“形變”之前的“彈性”去掉了？包括一團絲線被壓的情境也不能佐證“‘形變’不必加‘彈性…的論點。

2.2 彈力的物理本質

筆者認為從四種相互作用的角度來看，彈力的物理本質是一種電磁相互作用，彈力是內部大量分子（原子）的相互作用對外宏觀表現。就固體而言，無論是晶體還是非晶體，結構都很穩定，主要是因為分子力（或者說是正負電荷之間的庫侖力）維系的結果。

下面按照分子動理論對彈力的微觀機理進行闡述，通常物體處于穩定的平衡時，分子之間的距離為r0，此時分子引力和分子斥力相等，對外宏觀表現也沒有形變、要恢復原狀的趨勢：當物體被不太大的力壓縮而形變時，分子位置發生移動，使得分子間距小于r0，分子引力和分子斥力都要增大，但斥力增大得快一些，合力表現為斥力，所以各移位的分子欲回到原位，宏觀上得對施力物體施加一個反作用彈力來抗拒形變：同理當物體被不太大的力拉伸而形變時，各移位的分子欲回到原位，同樣宏觀上得對施力物體施加一個反作用彈力。

但如果外力太大，分子間的距離被拉得太遠，分子鍵斷開，分子就會永久滑移到另一個穩定的位置，即使外力移除后，也不能恢復到原來的位置，或者一點點的恢復，而使得物體保留永久的形變，這就是范性形變的微觀本質。范性形變的類型有，晶體的孿生、滑移、扭折，理想的剛體等，實際生活中有如圖4，瓶子摔碎的瞬間，巖石的斷裂的瞬間等。

2.3 再討論橡皮泥的壓縮

很多教師上課都會舉壓縮橡皮泥的情境，誠如毛老師的分析，橡皮泥在被壓縮過程中要同時存在范性、彈性形變，而不僅僅是范性形變。若外力很小時，幾乎是絕對的彈性形變；若外力增大到一臨界值時，發生明顯的范性形變，而且不需增大外力可以使得范性形變變大，表明范性形變對施力物體無彈力的作用；若去掉外力后，會在施力軸方向有微小的膨脹，又屬于彈性形變，會對接觸的施力物體施加反作用的彈力。因此，舉此例來說明彈力的產生須慎重。

3 與它接觸的物體問題

原文給出了如圖5所示的例子想說明，發生形變的彈簧只對墻壁有彈力的作用，而地面也與彈簧接觸，但無相互作用的彈力。從上面的分析來看，形變的產生必須是施力物體與受力物體的相互作用，彈簧徑向方向形變是因為墻壁施加的力導致的，只是對施力物體產生反作用彈力，當然不會對所有與之接觸的物體形成反作用的彈力。因此，筆者認為作為彈力的定義，無需加上“阻止它恢復原狀（或者阻止它形變）”，當然教師課堂上可以適當補充給學生。

4 關于彈力的定義

再看高中物理幾個版本的教材中關于彈力定義的表述。人教版、江蘇版給出的定義為，發生形變的物體，由于要恢復原狀，對與它接觸的物體會產生力的作用，這種力叫做彈力；魯科版、教科版給出的定義為，發生彈性形變的物體。由于要恢復原狀，會對與它接觸的物體產生力的作用，這種力叫彈力；粵教版給出的定義為：發生形變的物體，會對跟它接觸的物體產生力的作用，這種力叫彈力；滬科版給出的定義為，物體發生形變時，會產生一種使物體恢復原狀的力，叫做彈力。

綜上所述，筆者認為，幾套版本的教材中關于彈力的表述，不存在所謂的問題。參考文獻：

[1]毛小平，高中物理關于彈力敘述中存在的幾個問題[J]，物理教學探討，2（）13，（2）：52

[2]忻森，彈力的特征分析與應用[J]，中學理科，2003，（8）：16

[3]R.P.費曼，等，費曼物理學講義[M]，上海：上海科技出版社，第一冊，第12章

[4]百度百科，形變http：//baike.baldu.com/view/38962.htm

（欄目編輯 羅琬華）