第 三 章 · 必修第一册

相互作用——力

力是物体间的相互作用:一个力必有施力者与受力者。重力让你落地、弹力让弹簧回弹、摩擦力让世界不至于处处打滑。本章学会画受力分析图——它是整个力学的基本功。

3.1 重力

概念G = mg

重力:由地球吸引产生,G = mg,g ≈ 9.8 N/kg,方向竖直向下。
重力的等效作用点叫重心:质量分布均匀、形状规则物体的重心在几何中心。重心可以在物体外(圆环的重心在圆心)。
四种基本相互作用:引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用——重力只是其中之一,却是天体世界的统治者。

3.2 弹力与胡克定律

概念F = kx

弹力:发生形变的物体因要恢复原状而产生的力。方向:垂直于接触面(面面接触)、沿绳收缩方向(绳)。常见:支持力、压力、绳的拉力。
胡克定律:弹簧在弹性限度内 F = kx——x 是形变量(相对原长),k 是劲度系数(N/m)。F-x 图象是过原点的直线,斜率 = k。
🔬 故事:胡克与牛顿的恩怨
罗伯特·胡克是全才型科学家(细胞、建筑、弹性定律都以他命名),但他与牛顿交恶:争夺万有引力"平方反比"的优先权时,胡克拿不出数学证明,牛顿用《原理》一锤定音。牛顿那句"如果我看得更远,是因为站在巨人的肩膀上"常被赞美引用——有历史学家考证:这句话写在与胡克通信的语境里,而胡克身材矮小驼背,很可能是一句绵里藏针的嘲讽。科学的功劳簿,最终只认严格证明。

实验胡克定律实验室(弹簧 + F-x 图)

拖动挂钩上的砝码个数,弹簧伸长、图象描点连线——斜率就是劲度系数 k。拉过头会超过弹性限度,弹簧再也回不去。

3.3 摩擦力

概念动摩擦与静摩擦

滑动摩擦力:f = μN(μ 动摩擦因数,与接触面材料粗糙程度有关;N 是正压力)。方向与相对运动方向相反。
静摩擦力:有相对运动趋势时产生,大小不固定(0 ≤ f ≤ f_max),随外力"被动"变化——推不动箱子时静摩擦 = 推力。
摩擦力可以是阻力,也可以是动力(人走路靠地面静摩擦向前)。

实验推箱子模拟器(静摩擦 → 滑动摩擦)

3.4 力的合成与分解

概念平行四边形定则

力是矢量,合成按平行四边形定则(或三角形法则):以两力为邻边作平行四边形,夹角对角线表示合力。
合力范围:|F₁ − F₂| ≤ F ≤ F₁ + F₂(夹角 180° 时最小、0° 时最大);两等力夹角 120° 时合力大小恰等于分力。
分解是合成的逆运算:常按作用效果分解(斜面上重力沿斜面/垂直斜面分解:G斜 = mg sinθ,N = mg cosθ)。

实验力的合成实验室(拖动改变两分力)

红、蓝为两分力,绿为合力。夹角 0° 合力最大(相加),180° 最小(相减),120° 时合力恰等于每个分力大小(若两力相等)。

随堂检测第三章小测