遠處不在的力

張軍

很小的時候，我們就有了對力的最初體驗。握住筷子夾菜、摔倒在地上、針扎進屁股、把手里的東西扔出去……我們的肌肉都能感受到“力”。經過小學、初中階段的持續學習，我們對“力”的領悟越來越多，也越來越深刻。今天，張老師就和同學們聊聊有趣的“力”，為大家的學習助上“一臂之力”。

力是相互作用

課本上說“力是物體對物體的作用”，這句話包含了豐富的內容。我們可以把“作用”理解為一個“動作”，比如“推”“提”“咬”“撞”等，動作的發出者就是施力物體，動作的承受者就是受力物體。不論什么力，一定存在施力物體和受力物體。這個“動作”可以是接觸的，比如壓力、摩擦力，也可以是不接觸的，比如太陽和地球之間的引力、同名磁極之間的斥力等。物體之間不接觸，是通過“場”發生作用的，如引力場、電場、磁場等。

既然是“物體對物體”，那就說明力必須發生在兩個物體之間，一個物體無法產生力的作用。

“力”不是一個物體本身所具有的，必須在“作用”中才能體現，所以不能說“某某物體有某某力”。《義務教育科學課程標準（2022年版）》第38頁“能舉例說明磁鐵具有磁力”這句話是錯誤的，可以改成“能舉例說明磁鐵具有磁性”。

力的作用是相互的。鐮刀割草的時候，草同時也對刀刃施加力，割草的時間長了，刀刃會變鈍。用手在臉上摩擦、涂化妝品的同時，臉也在摩擦手。所以，施力物體和受力物體是相對的。我們在分析受力的時候，一定要根據那個“作用”的指向來確定受力物體。在畫力的示意圖或力的圖示時，作用點總是畫在受力物體上的。比如，行駛的汽車壓路面，這里的作用是“壓”，受力物體就是路面；但如果說路面對汽車的“支持”，則受力物體就是汽車了（圖1）。牛頓第三定律揭示，兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

人們經常利用反作用力來達到目的。槳劃水時，對水施加向后的力，水同時給槳一個向前的力，最終讓船前進。用雞蛋燒湯前，先把蛋在鍋口上磕碰一下，鍋口的反作用力擊破了蛋殼，蛋清和蛋黃就會流出來。利用吸管和牙簽，我們就可以做一個演示反作用力的“馬達”。給一支粗吸管的兩端加熱，在熔化過程中用鉗子將管口捏在一起，使其封閉。在吸管中點位置開個洞，穿透吸管兩側。將一支稍細的吸管一段封閉，開口端從粗吸管中部的洞中穿過。在粗吸管的兩個封閉端尖角處各剪一個小洞，兩個小洞的位置要在不同側。在細吸管與粗吸管的交叉位置也開一個穿過兩側的洞（圖2）。從細吸管開口端向內吹氣，氣流就會從粗吸管的兩頭小洞中噴射出來，且方向相反，粗吸管就會飛快地旋轉起來（圖3）。為了防止粗吸管移位，可以在細吸管上纏繞橡皮筋來限位。

同樣，我們也可以利用橡皮筋、螺旋槳、飲料瓶等，來做一個橡皮筋動力小車。用支架將螺旋槳、橡皮筋固定到飲料瓶制作的車身上，先將螺旋槳繞軸旋轉若干圈，直到橡皮筋出現多個超螺旋結構，再放開螺旋槳。這時，橡皮筋的彈性勢能轉化為螺旋槳的動能，旋轉的螺旋槳推動空氣，空氣反過來推動螺旋槳，小車就跑起來了（圖4）。

利用這個原理，我們也可以用飲料瓶、橡皮筋、冰棒棍、小竹簽，動手制作一個使用橡皮筋帶動槳轉動的玩具小船（圖5）。

4種基本相互作用

對力的分類通常有兩種方式：一是按性質來分，二是按效果來分。

從性質來看，自然界基本的相互作用分4種：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用、引力相互作用（我們通常說的萬有引力）。從雞蛋摔破到恒星爆炸，都是這幾種力在起作用。

小學時我們就知道，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。但是大家有沒有這樣的疑惑，原子核里的質子都帶正電，它們應該相互排斥啊，怎么會“團結”在一起呢，而且還和中子緊密“相擁”（圖6）？

其實，把它們拴在一起的“紅繩”就是強相互作用。強相互作用在4種基本作用力中是最強的，但也是作用距離最短的，只在原子核直徑范圍內起作用，就像專為原子核“量身定做”的。而同種電荷相互排斥屬于電磁相互作用，所以我們也看到電磁相互作用弱于強相互作用。

除了我們熟知的“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”“同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引”，彈力、摩擦力、分子間作用力也屬于電磁相互作用。電磁力對生命體的構造也起著至關重要的作用。我們舉重鍛煉時，就是肌肉中的電磁力在與地球引力產生的重力抗衡。

弱相互作用的范圍也很短，只發生在比原子核更深層的微觀世界中，主要存在于衰變過程，初中就不研究了。

引力是4種基本相互作用中最弱的，它的大小與兩個物體質量的乘積成正比，與距離的平方成反比。當物體質量比較小的時候，它們之間的引力可以忽略。我們就從來沒有感受到身邊的同學、路邊的高樓、路過的寵物狗對我們的引力。但是，如果物體質量很大，比如太陽和地球，它們之間的吸引力就很大了，可以將一根直徑為9000米的鋼柱拉斷。正是如此之大的引力，才能將地球束縛住，沿橢圓軌道繞著太陽運轉，而不能隨意離開（圖7）。

同樣，月球繞地球轉動也是引力的杰作。引力和電磁力同屬于“長程力”，作用范圍無限遠。在原子內部，粒子間的引力很小，可以忽略不計；但是在天體運行等宇宙宏觀尺度內，引力常常起著決定作用。我們能夠預測何時發生日食、月食，或者根據古籍記載的日食、月食現象判斷當時的確切日期，很大程度上得益于對萬有引力定律的掌握。

木星質量是地球的300多倍，擁有16顆衛星。木星強大的引力，導致離得最近的“木衛一”火山爆發不斷。沖向太陽的彗星路過木星的軌道時，也常因被吸引而改變方向。僅1994年，就有21顆彗星與木星接連相撞。如果這樣的撞擊發生在地球上，哪怕只有一次，都可能讓生態鏈斷裂。但是地球因質量小，一般就不容易“招惹是非”，而且月球有時會“代為受過”，倒是安全多了。

月球和太陽對地球海水的引力，還導致了潮汐現象。潮汐現象中，月球作了主要貢獻。正對月球的海水距離月球近，受到的引力大，從而向外運動（漲潮）；背對月球的海水受引力小，離心力大，也會向外運動（圖8）。夏歷以月相變化為依據，可以在一定程度上反映出潮汐情況，因此可以作為海事活動的指南。

潮汐導致海水與地表不停產生摩擦，消耗著地球轉動的能量，日積月累，導致地球自轉變慢。研究表明，40億年前，地球的自轉周期是10小時。也就是說，當時的一天時間是10小時。自轉變慢對生命的誕生、演化、繁衍是有重大意義的，太快的自轉會讓地震、狂風、火山爆發等惡劣狀況增多。隨著地球轉速減慢，月球也逐漸遠離地球。目前，月球到地球的距離恰到好處，我們目視的月球表面直徑剛好與太陽表面直徑相同，日環食可以讓我們直觀地感受到這一點。

4種基本作用從強到弱的排序是強力、電磁力、弱力、引力。科學家在思考，有沒有一種模型能將4種力統一起來呢？這就是所謂的“統一場理論”或者“大統一理論”。百年來，愛因斯坦、海森堡、德布羅意等眾多科學家為此付出了大量努力。20世紀60年代，格拉肖、溫柏格、薩拉姆提出了將弱相互作用和電磁相互作用統一起來的弱電統一理論，并預言了幾種新的粒子，因此榮獲1979年諾貝爾物理學獎。1983年，理論中預言的粒子被實驗發現。近幾十年，又出現了弦理論和膜理論，到高中時我們會簡單觸及。

現在大家清楚了，初中講的“重力”“彈力”“摩擦力”，是根據性質來分的。“重力”是由于引力產生的，而“彈力”“摩擦力”屬于電磁相互作用，因為形變、摩擦均涉及分子與原子間的作用力。

那么，我們說的“拉力”“向心力”“回復力”又是咋回事呢？這是另一種分類方法，依據的是力的效果。不管這個力是如何產生的，只看它起到什么作用。促進特定方向運動的力就叫“動力”，至于是地球吸引的還是磁鐵排斥的，都無關緊要。能讓物體繞著某點做圓周運動的力就叫“向心力”，盡管“指向圓心做圓周運動”可能是幾個性質不同的力共同作用的結果。所以，“壓力”“支持力”“繩子的拉力”都是按照效果來命名的，從性質角度看，這3個力都是“彈力”。

（責任編輯：白玉磊）