小物和小理的物理對話錄(73)
——力的分解在生活中的應用

劉亞英 孟衛東(特級教師)

前言:小物和小理是兩名普通的高中生,他們酷愛物理,在學習物理的過程中,小物經常向小理提出許多刁鉆而有趣的物理問題,了解他們的故事也能讓你的物理達到新的高度．

1 對話錄

小物:天氣越來越冷了,最近我注意到我們學校的食堂也換上了自吸式門簾,這樣我們在吃飯的時候就不會感覺冷了．

小理:哈哈,你觀察得還挺仔細的．那你有沒有注意到怎樣打開這種門簾最省力呢?

小物:這個也有竅門嗎?你不要告訴我這里面也涉及物理知識吧?

小理:哈哈,當然涉及物理知識了,生活中處處有物理哦!

小物:那你快來給我講講吧,到底怎樣打開最省力?這里面又涉及什么物理知識呢?

2 小理的解釋

我們首先來看一道2018年高考天津理綜卷選擇題.

例明朝謝肇淛《五雜組》中記載:“明姑蘇虎丘寺廟傾側,議欲正之,非萬緡不可．一游僧見之，曰:無煩也,我能正之．”游僧每天將木楔從塔身傾斜一側的磚縫間敲進去,經月余扶正了塔身．假設所用的木楔為等腰三角形,木楔的頂角為θ,現在木楔背上加一力F,方向如圖1,木楔兩側產生推力FN,則( ).

圖1

A. 若F一定,θ大時FN大

B. 若F一定,θ小時FN大

C. 若θ一定,F大時FN大

D. 若θ一定,F小時FN大

分析木楔背上所加的力F產生兩個效果,分別向木楔兩側產生垂直于側面的推力,推力的大小由F的大小和楔角θ決定.根據力的分解,畫平行四邊形,如圖2所示,力F對木楔側面產生的推力分別為F1和F2.若θ一定,當力F增大為F′時,所對應的推力F3和F4也相應增大,選項C正確．若F一定,如圖3所示,θ角所對應的推力分別為F1和F2,當楔角變大為θ′時,推力分別為F3和F4,可見推力變小了,因此選項A錯誤,選項B正確．所以正確答案為B、C．

圖2 圖3

圖4

由分析過程可知,楔角θ越小,對木楔側面的推力越大．推門簾的過程可以類比為用木楔插入門簾縫隙的過程,如圖4所示,此時的木楔其實就是手,且此時的楔角幾乎為0,所以只要輕輕一推,就能對兩側門簾產生一個較大的推力,很輕易就推開啦!

生活中類似的應用還有很多,比如用刀切肉或者斧頭劈柴,刀刃或斧刃的橫截面是一個三角形,與木楔類似．以斧頭劈柴為例,如圖5所示,向下的力F產生兩個效果,分別是垂直于斧側面的兩個壓力.由平行四邊形定則,畫出力的分解示意圖如圖6所示.由上面的分析過程可知,斧的劈角θ越小,對兩側的壓力越大,就越容易劈開木柴,所以我們生活中見到的刀刃或斧刃都很薄,也就是θ很小．但任何事情都有兩面性,由作用力與反作用力的關系可知,斧頭對木柴的作用力大,木柴對斧頭的反作用力也大,容易卷刃或卡住拉不出來．所以說并不是θ越小越好,還要根據實際情況來確定．生活中我們用的普通刀的刃很薄,適合切肉類、蔬菜等食材,但剁骨刀的刃要相對厚一些,需要用的力氣大一些，而劈柴用的斧刃和刀背則更厚一些．

圖5 圖6

換個角度看,由圖3可知,楔角θ越小,可以理解為兩個分力(F1、F2)之間的夾角越大,當合力F一定時,兩分力之間的夾角越大,兩個分力就越大．所以細心的同學一定注意到戶外高壓線是呈下彎弧形的,不是拉得很直．當在高壓線上落一物體時,相當于給高壓線施加一向下的力,如果線拉得太直,即兩分力之間的夾角很大,一個很小的向下的力可能就會使高壓線承受很大的力,易使高壓線損壞．

小物:哇!小理你太厲害了!我最佩服的就是你總能把物理知識和生活聯系起來,聽你講物理總感覺那么有趣,一點也不枯燥．

小理:物理本身就是一門與生活聯系緊密的學科,來自生活又應用于生活．我們要善于把知識和實際聯系起來.新課程改革重視從真實情境中提煉物理問題,也是為了促使我們把課本知識和生活實際聯系起來,用物理知識去解決實際生活中的問題,做到真正的學以致用．

小物:希望同學們在學習物理的過程中都能像小理一樣,多聯系實際.這樣才會覺得學到的知識是有用的,學起來才更有動力．我想這也是物理學科核心素養中的必備品格和關鍵能力之一吧．