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容易混淆的两对力

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在2008年北京奥运会上,美国游泳奇才菲尔普斯17次跃进“水立方”的泳池,独揽8枚金牌,打破了7项世界纪录,成为举世瞩目的焦点,美国游泳队一直以“高科技含量”闻名于世,其中流动测量技术(flow measurement techniques)就是美国游泳健儿频频夺冠的坚强后盾,专家们认为,如果能够把运动员施加于周围水流的作用力过程以及水流对运动员的反作用力详细过程研究清楚。就能帮助运动员获得最佳的平衡状态和泳距,从而发挥出自身最大的运动潜能,该项研究涉及到的正是同学们在学习过程中容易混淆两对力――平衡力和相互作用力。

一、平衡力和相互作用力的区别

我们知道人游泳时手和脚对水有向后的力,由于物体间力的作用是相互的,水对手和脚就有向前的力,于是运动员就可以前进了,物理学中把物体间相互作用的这两个力称为相互作用力,在游泳过程中,运动员还要极力在竖直方向上保持身体的平衡状态,此时他在竖直方向上受到了重力和浮力作用,一个物体在两个力的作用下,如果保持静止或匀速直线运动状态,这两个力就称为平衡力,那么平衡力和相互作用力有什么异同呢?下面我们首先从三个方面来谈谈它们之间的区别:

1 受力物体:平衡的两个力是作用在同一个物体上的,例如用弹簧测力计测物体的重力,当物体静止时,物体受到两个力的作用,即重力G和弹簧测力计向上的拉力T1,这两个力就是一对平衡力,这一对平衡力都作用在重物上;而相互作用的两个力则是分别作用在两个物体上的,还是以上面的弹簧测力计测物重为例,拉力T1是弹簧测力计对重物向上的拉力,同时重物也对弹簧测力计产生一个向下的拉力T2,T1和T2就是一对相互作用力,它们分别作用在重物和弹簧测力计上。

2 依存关系:平衡的两个力不一定同时产生,同时消失,它们之间没有互相依存的关系,在上例中,若把重物放下,弹簧测力计对重物的拉力T1消失,但重物受到的重力G却依然存在;而相互作用的两个力,会随两个物体发生相互作用而同时产生。在两个物体相互作用结束时也会同时消失。它们之间有着互相依存的关系,比如把重物放下后,弹簧测力计和重物之间将不再有力的作用。

3 效果:平衡的两个力,因作用在同一个物体上,它们的效果是能相互抵消的,如弹簧测力计对物体的拉力和物体所受重力的合力为零,而相互作用的两个力,因分别作用在两个物体上,它们各自产生的作用效果不能相互抵消。

当然平衡力和相互作用力也有相同之处:它们的大小都相等,方向都相反,且都作用在一条直线上。

二、平衡力和相互作用力的应用

与平衡力和相互作用力有关的物理现象在我们日常生活中随处可见,比如说,人走路时,脚对地面有向后的力,由于力的作用是相互的,地面对脚就有向前的力,所以人就前进了,这是一对相互作用力;当人站在水平地面上时,人受到的重力和地面对人的支持力就是一对平衡力:在马路上匀速行驶的汽车所受的摩擦力和牵引力也是一对平衡力。

我们知道直升机是西方工业大国发明的,但其基本原理却产生于中国古代,早在4000多年前,智慧的中国人民就为孩子发明了一种玩具――“竹蜻蜓”,它是由一根竹棒和一个(或几个)竹片构成的,竹片被削成了向同一方向的倾斜面,当孩子们用双手夹住竹棒使劲一搓时,“竹蜻蜓”就会旋转着飞向空中,同学们,你知道“竹蜻蜓”的飞行原理吗?原来,“竹蜻蜓”的扇叶在旋转过程中。对空气有向下的力,由于力的作用是相互的,空气对扇叶就产生了向上的力,所以“竹蜻蜓”就能升空了,现代直升机就是一种以旋翼作为主要升力来源、能垂直起落的飞行器,当旋翼旋转时,将空气往下推,由于力的作用是相互的,被往下推的空气反过来对旋翼产生一个向上的作用力――升力,当升力的大小等于直升机的重力时(此时升力和重力就是一对平衡力),直升机就可以匀速向上飞行了。

三、平衡力和相互作用力的解题要点

在实际应用中如何区分平衡力和相互作用力呢?关键是要分析清楚每个力的施力物体和受力物体,如果二力的受力物体相同。且符合大小相等、方向相反、作用在同一直线上的条件,则是平衡力;如果二力的施力物体又同时是受力物体,即:甲物体对乙物体有力的作用,乙物体对甲物体也有力的作用,则它们为相互作用力。

下面我们就以几道典型的中考题为例,和同学们一起分析体会。

例1 一个杯子放在水平桌面上处于静止状态,下列各对力中,属于平衡力的是( ),属于相互作用力的是( )。

A 桌子受到的重力和杯子对桌面的压力

B 桌子受到的重力和地面对桌子的支持力

C 桌面对杯子的支持力和杯子对桌面的压力

D 杯子受到的重力和桌面对杯子的支持力

解析 A中两个力的方向均向下,所以不属于两类力的范畴:B选项具有一定迷惑性,很容易让人误以为是平衡力,但要注意的是,地面对桌子的支持力大小等于桌子和杯子的总重,所以不符合平衡力应大小相等的条件。

答分别选D、C

例2甲乙两队进行拔河比赛,甲队拉绳子的力和乙队拉绳子的力分别为F1和F2,绳子自身重力不计,结果甲队赢了,则F1和F2的大小关系为( ),

A F1=F2 B F1>F2

C F1

解析很容易误选B,这是由于生活经验的干扰引起的,在生活实践中一般认为,谁力气大,拔河中谁就获胜,在实际拔河比赛中,甲乙两队同时拉着一根绳子,通过这根绳子两队发生了力的相互作用,绳子相当于增长了两队的手臂,双方拉绳子的力可以认为直接作用在双方的队员身上,因此甲队拉绳子用的力和乙队拉绳子用的力是一对相互作用力,它们的大小应该相等,拔河时的胜负不是取决于谁对绳子的拉力的大小,而是取决于两队所受地面摩擦力的大小,因此穿上鞋底有凹凸花纹的鞋子、选择体重较大的队员参赛。从而尽量增大地面对脚底的摩擦力,以夺取比赛的胜利。

答选 A。