力的描述及作用分析

牛顿的故事

如图1.2.1所示，艾萨克·牛顿（Isaac Newton），英国人。1643年出生于英格兰林肯郡乡下的一个小村落乌尔索铺村的乌尔索铺庄园。少年时代的他并不是神童，成绩也一般，但很喜欢读书，尤其是对简单机械模型制作方法的读物特别感兴趣，并从中受到很大的启发，动手制作出了许多神奇的小玩意儿，如风车、风筝、漏壶、木钟、折叠式提灯、磨坊等。他还喜欢绘画和雕刻。

图1.2.1　牛顿

中学时代的牛顿进了离家有十几公里的九龙金格斯皇家中学读书。母亲本来希望他成为一个农民，但他本人却无意于此，而是酷爱读书，喜欢沉思，更喜爱做小工具、小发明、小实验，对自然现象也有好奇心，例如颜色、日影四季的移动、几何学、哥白尼的日心说等。迫于生活困难，母亲让他停学在家务农，赡养家庭。但他一有机会便埋首书卷，以至于经常忘了干活。牛顿的好学精神感动了细心的舅舅，于是劝服了母亲让他复学，并鼓励他上大学读书。

牛顿在剑桥大学的三一学院读书期间，该学院的教学基于亚里士多德的学说。但牛顿更喜欢阅读一些笛卡尔等现代哲学家以及伽利略、哥白尼和开普勒等天文学家更先进的思想。1665年，他发现了广义二项式定理，并开始发展一套新的数学理论—微积分。同年，牛顿获得了学位。大学毕业时，恰好遇到伦敦爆发大瘟疫，学校被迫关门，牛顿只好回到故乡，在家居住时继续研究微积分、光学和万有引力定律，后返回剑桥大学任教。1669年，他被授予卢卡斯数学教授席位。1689年，他当选国会议员。1703年，他成为皇家学会会长。1705年，他被女王封为爵士。后来人们为了纪念牛顿，特地用他的名字来命名力的单位，简称“牛”。^[3]

表1.2.1　分层学习要求

力的三要素

通过前一节的学习，我们知道了物体的运动状态或者形状发生改变都是由于受到力的作用。施加不同的力对物体的作用效果不同。那么力的作用效果与哪些因素有关呢？

●力的大小

如图1.2.2所示，根据生活经验，我们知道在图1.2.2甲中用大小不同的力拉橡皮泥，橡皮泥的形变不同；在图1.2.2乙中拉或者压弹簧的力大小不一样，弹簧伸长的长度就不一样……这些现象均说明：力的作用效果与力的大小有关。

图1.2.2　力的大小影响力的作用效果

1.你能再举一些例子说明力的大小对力的作用效果的影响吗？

力常用字母F表示。在国际单位制中，力的单位是牛顿，简称牛，用符号N表示。力的单位是以著名物理学家、经典力学创始人艾萨克·牛顿命名的。

托起两个鸡蛋所用的力大约是1 N。中学生站在体重计上，对体重计的压力大约是500 N。

●力的方向

再回到图1.2.2乙，同样的弹簧，第一次用力向外拉，弹簧会伸长；第二次用相同大小的力向内压，弹簧会缩短。这说明：力的作用效果与力的方向有关。

●力的作用点

如图1.2.3所示，在拧扳手时，用大小相同的力手握在扳手的末端，比握在扳手的中间更容易把螺丝拧紧。如图1.2.4所示，开门时，用大小相同的力拉门把手A点比拉转轴上的B点更容易把门关上。用大小相同的力，从顶部比从底部更容易把矿泉水瓶推倒，如图1.2.5所示。这些现象说明：力的作用效果与力的作用点有关。

图1.2.3　拧扳手

图1.2.4　关门

图1.2.5　推矿泉水瓶

2.你能再举一些例子说明力的方向对力的作用效果的影响吗？

3.为什么这里要强调“用大小相同的力”？

4.你能再举一些例子说明力的作用点对力的作用效果的影响吗？

因此，力的大小、方向、作用点叫做力的三要素，影响着力的作用效果。

力的示意图和图示

力的作用效果与力的三要素：大小、方向和作用点有关，但用文字来描述力的三要素既复杂，又不直观。因此，为了简洁、方便地描述力，物理学中常常用一根带箭头的线段来表示力，如图1.2.6所示。其中，线段的长度代表力的大小；箭头的方向代表力的方向；线段的起点或终点代表力的作用点。

我们把图1.2.6中表示力的图叫做力的示意图。在力的示意图中，一般选择适当的长度来表示力的大小。例如，在同一图中，力越大，线段越长；力越小，线段越短。

图1.2.6　力的示意图

5.力的示意图包含哪些要素？

但为了更精确地表示力的大小，我们也可以规定某一长度表示的力的大小，即规定标度（图1.2.7中规定的标度为1 cm的线段表示100 N），然后再根据力的大小和标度来确定线段的长度。要选择合适的标度，使得线段长度是标度两倍及两倍以上的整数倍。如图1.2.7力的大小为200 N，故选择1 cm对应100 N的标度比较合适。这种表示力的图叫做力的图示。除了对力的大小表示方式不同，力的图示对力的作用点和方向的表示与力的示意图相同。

图1.2.7　力的图示

6.力的图示包含哪些要素？

实际上，我们多数时间是使用力的示意图来分析物体受力的。明确研究对象，画出力的示意图对研究对象的受力情况进行受力分析，是解决力学问题的基础。

相互作用力的特点(www.xing528.com)

如图1.2.8甲所示，滑冰时，当你推墙的时候，你也会顺势后退；如图1.2.8乙所示，让两个同名磁极在同一直线上相互靠近，放手后，两磁铁均向后退开。

图1.2.8　力的作用是相互的

从第一节可以知道，这是由于力的作用是相互的。那么作用力和反作用力（一对相互作用力）有什么特点呢？

●牛顿第三定律

前面我们介绍过运动传感器，可以实时记录下物体的运动信息。这里我们还可以利用力传感器，来探究作用力和反作用力的特点。

如图1.2.9甲所示，将两个力传感器对拉，并不断改变拉力的大小。通过传感器、计算机反映的图像如图1.2.9乙所示。通过分析实验和图像，可以发现：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上的。这就是著名的牛顿第三定律。需要注意的是，作用力与反作用力同时产生，同时消失，不可能单独存在某一个。

图1.2.9　力传感器

7.你能分析两个力传感器的受力情况吗？

●力的相互性在生活中的实例

我们生活中许多地方都利用了相互作用力的特点，如图1.2.10所示，走路时脚向后蹬地，地给人向前的力，让人向前运动；游泳和划船时向后划水，水给人或船向前的力，让人或船向前运动；骑自行车时，自行车后轮（主动轮）向后挤压地面，地面给后轮向前的力，让车向前运动。

图1.2.10　相互作用力的应用

8.你还能举出哪些利用了相互作用力的实例？

9.鸡蛋与石头相碰，鸡蛋破而石头未破。是不是鸡蛋受到作用力较大，而石头受到的反作用力较小呢？

自我评价（第3题选自教科版物理教材八年级下册）

1．如图1.2.11所示，你能表示出用300 N的力提起一个重物的图示和示意图吗？

图1.2.11

2．如图1.2.12所示，将一薄钢条的下端固定，分别用不同的力推它，F1=F3=F4＞F2，使其发生如图中所示的各种形变，则：

图1.2.12

（1）比较_________两图说明力的作用效果与力的大小有关；

（2）比较甲、丁两图说明力的作用效果与力的_________有关。

3．如图1.2.13所示，右边小船上的人用力撑开左边那一只小船，两只船各向什么方向移动？为什么？

图1.2.13

4．如图1.2.14所示，在太空中没有空气，火箭前进的动力是谁提供的呢？

图1.2.14

力的作用效果在足球中的应用

足球是目前世界上开展最为广泛、影响范围最大的一种体育运动，号称“世界第一球类运动”。每四年一次的世界杯每次举办都会受到全世界人民狂热追捧。相较于其他球类，足球规则简单、便于操作、参与人数多、对抗激烈、悬念大、观赏性强，是一项力与速度完美结合的运动。其中，优秀足球运动员们的炫目球技更是为球迷们津津乐道。例如，齐达内创意十足的长传，贝克汉姆精准的任意球等等。那么你知道踢球时需要掌握哪些技巧才能让球尽可能达到我们想要的效果吗？

想要把球踢得更远，需要施加更大的力；

想要把球踢飞起来，需要往球下部踢；

想要把球顶向特定位置，需要调整头与球面的接触角度；

想要踢出香蕉球，需要沿非足球重心的位置发力；

……

你知道这是为什么吗？

无论基础足球技术，还是比赛场上运动员们踢出的精彩瞬间，都离不开对力的应用，如图1.2.15所示。改变施力的大小、方向、作用点就会对足球产生不一样的作用效果。利用力学知识解释动作技巧，提高运动员的训练效率，避免给运动员带来不必要的损伤，已经成为现代足球训练的必然选择。^[4]

图1.2.15　校园里的足球运动