探索高中物理力的分析方法

曹紅兵

【摘要】力的分析問題是高中物理力學(xué)中最為經(jīng)典且基礎(chǔ)的問題，解決許多力學(xué)問題的第一步就是進(jìn)行力的分析.但是其過(guò)程不是簡(jiǎn)單地將各種力表示出來(lái)就可以的，而是要根據(jù)題目中的具體情況，采取合適的方法和不同的思路來(lái)將力聚焦在某一個(gè)物體上，或者與其他力的作用抵消來(lái)達(dá)到簡(jiǎn)化的目的.本文結(jié)合實(shí)例對(duì)力的分析的幾種方法進(jìn)行解讀，探索解題策略.

【關(guān)鍵詞】力的分析；高中物理；解題

對(duì)于力的分析問題，主要有四種方法可以解決：整體法，隔離法，力的合成法，力的分解法.前兩種方法聚焦于對(duì)力的作用對(duì)象的討論，后兩種方法則是注重于力本身的研究.下面就根據(jù)幾道例題來(lái)談?wù)勥@幾種方法的具體應(yīng)用情境和在使用時(shí)的注意事項(xiàng).

方法1 整體法

整體法顧名思義就是對(duì)各個(gè)物體所構(gòu)成的系統(tǒng)整體進(jìn)行研究.在外力的作用下，對(duì)于相互之間有聯(lián)系的多個(gè)物體進(jìn)行研究，分別列式較為復(fù)雜，且方程較多，在解方程時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤.所以變換視角，將其看做是一個(gè)整體進(jìn)行研究，消除內(nèi)力影響，簡(jiǎn)化解題過(guò)程.

例1 如圖1所示，在光滑的水平面上質(zhì)量為m的物塊A和質(zhì)量為M的物塊B疊放在一起，物體B與墻壁之間通過(guò)彈性系數(shù)為k的彈簧連接，物塊A和物塊B做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，過(guò)程中兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)整體離開平衡位置的位移為x時(shí)，物塊A和物塊B之間的摩擦力的大小為（）

解析 由于物體A和物體B兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以可將兩者看作一個(gè)整體.

當(dāng)整體離開平衡位置的位移為x時(shí)，整體所受的合力大小即為彈簧彈力大小，F(xiàn)彈=kx，由此算出整體的加速度為a=kx/m+M.

而對(duì)于物體A，由于其未發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以加速度由靜摩擦力提供，f=ma=（m/M+m）kx.

由此選擇（B）選項(xiàng).

評(píng)析 在利用整體法解題時(shí)需要考慮適用條件，如上題的適用條件是物體A和物體B兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)就是其中之一，相當(dāng)于兩者粘合在了一起.在教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生使用整體法的意識(shí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)題目中暗示可以使用整體法的關(guān)鍵詞.

方法2 隔離法

隔離法的原理與整體法相反，在題中各個(gè)物體相互作用，不能夠看做是一個(gè)整體進(jìn)行分析時(shí)，同時(shí)兼顧多個(gè)物體只會(huì)讓思路和運(yùn)算變得混亂.所以這時(shí)候就需要采取隔離法，將容易研究的兩個(gè)相互作用的物體隔離出來(lái)單獨(dú)列式，再將整體隔離成幾個(gè)小塊研究清楚后綜合各式得出結(jié)果.

例2 如圖2所示，光滑的固定斜面上放有兩相同小球P，Q，初始狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，MN是豎直擋板，現(xiàn)將擋板MN緩慢轉(zhuǎn)至與斜面垂直，則對(duì)于在該過(guò)程中小球P，Q之間的壓力變化情況正確的是（）

（A）一直不變. ?????? （B）先增大后減小.

（C）先減小后增大. （D）一直增大.

解析 由題意可知，小球P所受的力的個(gè)數(shù)較少，所以選擇小球P為研究對(duì)象.小球P受到G，N斜，N_Q共三個(gè)力作用，小球P處于靜止?fàn)顟B(tài)的合力大小為0.即重力G在N斜，N_Q方向直線上的分力與這兩者相抵消.在轉(zhuǎn)動(dòng)擋板MN的過(guò)程中，重力G不變，而N斜，N_Q也都不變，所以重力G分解的兩個(gè)力的方向也不變.

所以選擇選項(xiàng)（A）.

評(píng)析 隔離法的關(guān)鍵在于找到合適的隔離對(duì)象進(jìn)行單獨(dú)研究.一般原則是找題目中條件聚焦的物體，易于分析的物體，再將其與其他的物體聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)還需要學(xué)生有物理的大局觀，站在總的視角細(xì)化隔離目標(biāo).

方法3 力的合成法

力是矢量，在合成時(shí)遵循平行四邊形法則.在進(jìn)行力的合成時(shí)，關(guān)鍵在于搞清楚合成哪些力，以及怎么樣計(jì)算出合成之后力的大小和方向.在教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生理解并掌握力的平行四邊形法則，學(xué)會(huì)合理合成力來(lái)解決問題.

例3 如圖3所示，在地面上有一個(gè)沙袋，現(xiàn)有一同學(xué)用斜向上的力F拉沙袋，但是沒拉動(dòng)，沙袋仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，則對(duì)于拉力F和沙袋所受到的摩擦力f的合力方向?yàn)椋ǎ?/p>

（A）豎直向下. （B）豎直向上.

（C）斜向右上方. （D）斜向左上方.

解析 對(duì)物塊進(jìn)行受力分析，共受到四個(gè)力的作用：重力G，拉力F，摩擦力f，支持力N.

受力分析圖如圖4所示，利用力的合成法，將F與f合成，G與N合成，G與N的合力方向豎直向下，F(xiàn)與f的合力方向與其相反，是豎直向上的.

所以選擇 （B）.

評(píng)析 上述利用了力的合成法，將原本的四力平衡轉(zhuǎn)化為了二力平衡，從而得到了題目中所求合力的方向.這里運(yùn)用到了一個(gè)轉(zhuǎn)化的思想，并沒有直接對(duì)拉力F與摩擦力f的合力方向進(jìn)行研究，而是通過(guò)求出另兩個(gè)力根據(jù)力的平衡條件得出.在平時(shí)的教學(xué)中，要貫徹轉(zhuǎn)化的思想，這樣學(xué)生的思維才能更加活躍.

結(jié)語(yǔ)

以上三種方法在整體上從兩個(gè)方面，在不同的視角下探尋了力的分析問題的解題思維方法.掌握整體法和隔離法能夠提高學(xué)生的物理素養(yǎng).在教學(xué)實(shí)踐中，要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和解題過(guò)程中對(duì)矢量的平行四邊形法則有更深的感悟，學(xué)會(huì)力的合成與分解并熟練運(yùn)用.