不少高中学生, 在做物理力学这道大题的时候, 老是会出现一动手就废掉的情况。他们明明早就把那些公式都背得滚瓜烂熟了, 可是到了要真正去实战进行受力分析的时候, 却总是会出岔子出问题。
这就导致最终的考试结果满盘皆输。因为力学被普遍看作是物理这一科目的灵魂所在, 所以只要能掌握好一套通用的、万能的受力分析模板, 这就是那个能够破解难题的大题, 并且稳稳当当地拿走高分的关键一把钥匙。
一、选准对象
在进行受力分析之前, 第一步往往也是非常容易被忽略的一步, 这一步就是明确研究对象。很多同学在看到题目中出现的一堆滑块、木板和弹簧的时候, 就会急着去画箭头, 结果会把作用在不同物体上的力全都混在了一起。我们需要根据题目的要求, 灵活地在整体法和隔离法之间进行切换。如果题目要求的是作用于系统外部的力, 比如说地面对木板施加的支持力, 那么将所有的物体视为一个整体来进行分析就会更加简便。而如果所要考察的力是物体彼此之间产生的相互作用力, 这种情况下就非得把某一个特定的物体单独拿出来进行隔离分析不可。
在进行对象选择的过程中, 必须要严格按照先把它看作一个整体、然后再进行隔离分析这样的顺序来处理。当你把好几个物体放在一起当成一个整体来对待的时候, 这些物体内部产生的相互作用力也就是我们说的内力, 就可以完全不用去管它们了, 这样做能够让思考的过程变得简单很多。
要是你想知道某个具体的连接点到底受到了什么样的力量, 那你就得用隔离的方法去一点点看清楚细节。这种能够从大局出发看问题的意识, 是解开那些复杂的力学综合题目的根本前提。只有你把需要研究的对象选对了, 后面做的分析工作才不会跑偏, 也就是不会南辕北辙。
另外, 还得留意在运动里头那些研究对象的变化情况。碰到一些题目里边物体可能会出现分开或者撞上的现象, 这代表说我们看的那个对象在不同阶段也许是不一样的人。
能够学会马上变动自己观察的角度去处理问题, 再把那种特别复杂的物理过程一点点拆开变成好几个简单的力学模型, 这才是所有学物理很厉害的人都该有的最基本能力。大家千万不要想着能一下子就把事情全搞定, 而是要分阶段、分对象地去进行处理, 只有这样才能够确保每一个步骤都是精准无误的。
二、有序分析
做受力分析的时候, 最忌讳的就是丢三落四, 或者是凭空想象出一些根本不存在的力。为了能够把这种低级的错误给避免掉, 我们必须严格遵守一套标准, 并且这个标准的顺序是一重、二弹、三摩擦、四其他。
首先是重力这一部分, 只要说的是处在地球附近的那些物体, 那么重力就是绝对必不可少的存在, 而且它的方向永远是固定的, 就指向竖直向下的位置。很多同学在画斜面上的物体时, 容易把重力画为垂直于斜面。这是非常典型的基础不牢固的表现。大家一定要时刻提醒自身, 注意重力的指向问题。
接下去讲弹力, 这个部分是在受力分析里面出错的几率特别大的。
想要产生弹力, 必须满足两个条件, 一个是接触, 另一个是形变, 我们要去挨个检查研究对象和周围有哪些物体存在接触的情况, 并且还要判断这些接触的地方是不是有挤压发生或者拉伸发生, 常见的弹力种类有支持力、压力以及拉力等等, 大家要牢记弹力的方向始终是和接触面垂直的, 并且指向受力物体那边, 如果是绳子的拉力情况的话, 它的方向就是沿着绳子指向收缩的方向。只要按着顺序, 一步一步去检查每一个接触的地方, 就能够有效地避开出现弹力缺失这种让人感到难为情的状况。
第三个步骤是弄清楚摩擦力。判定摩擦力这件事情, 得搭着弹力来一起做, 因为没弹力的话肯定也没摩擦力。我们得要看看接触面够不够粗, 再看看物体之间有没有相对动或者有没有想要相对动的迹象。
静摩擦力的方向最难去判断, 通常就得把物体的运动状态拿过来结合着利用牛顿第二定律去反推一下。最后是别的力这一类, 比如说电场力、磁场力, 或者是题目里确实给好的外力。你只需要把这几步按照指定的先后顺序依次过一遍, 那么你所画出来的这个受力分析图基本上就是完整无缺的了。
三、方法互补
在应对涉及多个物体联结的系统这类问题的时候, 整体法和隔离法这两种方法互补着来用, 这已经成为解决力学大题的一种常规做法了。运用整体法的话, 咱们能够避开那些复杂的内力不去管它, 从而直接建立起系统在外部受力情况与加速度之间的那种关联关系。
反过来讲, 使用隔离法的主要目的是为了更深程度地去探究局部的情况, 以便于探寻出各个物体彼此之间所存在的相互作用关系。要是咱们能够掌握住这两种方法相互切换的逻辑思路, 那么你在面对那些多体类型题目的时候自然就可以做得顺手并且感到非常自如了。在通常情况下呢, 我们要把整体的这一套东西先拿过来, 用整体法这个办法去求出那些系统里各个物体之间共同的加速度是多少, 然后再把那单个的特定物体的力给隔离出来, 用隔离法那个手段把某个特定物体所受到的摩擦力或者弹力的数值算出来。
举一个例子来说明, 比如在经典的那个木板和滑块构成的模型里面情况是这样子的, 假如说它们俩是保持相对静止的状态并且一起进行加速运动的, 这个时候去用整体法来求加速度的话那就是最快捷的一个途径了。
但是呢如果题目具体问到的是那个滑块所受到的静摩擦力的大小的时候, 那我们就非得要去隔离这个滑块不可, 然后去详细分析它在水平方向上收到的唯一的一个动力究竟是什么, 结果就会发现那是静摩擦力这一种东西, 这种说法叫做由大到小或者是说由外向内的一种逻辑思路, 这种逻辑思路并不是仅仅只适用于那些静力学的平衡问题之中, 它同样也是在这个动力学的加速问题的解决过程中有着非常巨大的威力作用的, 这一点需要大家明白。很多学生感觉到考试时间不够用, 造成这一现象的主要原因是, 他们在原本不需要进行隔离处理的情境里, 耗费了过多的精力去建立数学方程。
同时, 我们还得学会利用牛顿第三定律来帮咱们分析问题。有的情况下, 直接去分析某一个物体的受力状况会特别费劲。可是要是看那个和它对着干的物体, 它的受力情况反而很清楚。
既然作用力和反作用力大小是一样的, 方向又是相反的, 那咱们完全可以先通过分析对方的受力求个底, 再反过来推断出咱们研究的那个对象到底受了啥力。碰到像压力传感器的读数问题，或者是绳索拉力这类问题时, 这种逆向思考的办法经常能起到那种一下子把迷雾掀开、看得清清楚楚的好作用。
四、捕捉临界
力学大题之所以被大家叫做“压轴题”, 原因往往在于, 这些题目里面包含了那种特别复杂的临界状态的变化。那么, 到底什么是所谓的临界状态? 它其实就是物体在受力情况发生质变的转折点。举个例子来说, 当物体的即将滑动的那个瞬间, 静摩擦力就达到最大值了。
还有另一种情况, 物体即将离开地面的那个瞬间, 支持力刚好就是零。又或者当绳子即将断裂以及松弛的那个瞬间, 拉力就达到极值, 或者直接变成零了。所以, 能够准确捕捉到这些关键的临界点, 才是列出那些核心方程的关键突破口。
我们在去分析那个动力的过程的时候, 脑子里面得有那种像慢镜头一样把画面一个一个放出来的那种想法, 你闭上眼睛想象一下那个场景, 就是说随着某个外力的值一点点地往上增加, 那这个物体的受力的样子是怎么发生一连串的变化?
这种能够进行动态分析的本事, 是可以帮助我们去提前感觉到那个临界的那个状态快要到来的, 好多人考试老是丢分, 原因是什么? 原因就在于他只是看到了这个物体最开始那一会儿的状态, 然后完全忽略了在它运动的那段过程中, 因为速度的变或者位置的换, 某些力可能已经没有了或者是它的方向变了。特别是在圆周运动以及简谐运动这些情形下面, 物体所受到的力的变化情况, 包括了周期性的特征以及方向上的变化, 这些都变成了考察过程中的一个重点部分。
处理这种临界问题的标准化做法, 其实是把先假设那个临界的状态给摆出来, 然后根据当时的情况去列受力平衡方面的等式或者牛顿第二定律对应的等式, 通过计算来把这个临界数值给弄明白, 接着再回头去看题目里具体的要求, 去仔细判断这个物体到底是还没够着那个临界点呢, 还是已经过了那道坎儿了。
这种一边假设一边再去检验的手法不但逻辑非常严密, 还能让你在那些特别让人头疼的分类讨论环节里不至于晕头转向走丢了。在考场这个特定的环境下面, 对于临界条件到底该如何进行判断的这一整套分析过程, 必须清清楚楚、明明白白地给它直接书写出来, 因为这种做法是能够作为获取步骤分的一个主要依据或者说是重要基础的。
五、规范作图
不少学生习惯在草稿上面随性涂抹受力图, 有的人甚至直接把箭头画在了题干所提供的示意图里头。这个做法是非常危险的。物理学是一门对规范程度要求极高的学科。使用规范的受力图有两个明显的好处。第一, 它可以帮助你理清思路。第二, 它能够直接减少你在列出方程时发生的错误频率。建议在答题纸的白纸上画, 每个东西的受力图都单独画一个。用力是带箭头实的线来代表, 名称符号也要标清楚, 像G、N、f这些。
在画图的时分, 还要留意力的比例关系。虽然并不需要像工程制图那样的那样精精确确, 不过基本的逻辑一定要对。拿物体在水平面上作匀速运动这种状况来做例子吧, 那样水平的拉力和摩擦力的长度就应当大致相等。
要是物体向着上方加速的话, 那么支持力或者是拉力的箭头就必须要明显地比那些表现重力的箭头更长。像是这么一种视觉上的直观呈现的形式, 能够协助你去快速地查验出存在的那些明显的逻辑漏洞。要是大家伙儿瞅见自己画出来的合力方向, 跟运动趋势是反着的, 那就肯定是受力分析这块儿出了纰漏了。
另外, 建立起一个合适的坐标系, 这也是规范作图过程中不可或缺的一部分内容。针对平衡问题这一块, 一般情况下我们都会选择建立水平和竖直方向的坐标系；而一旦涉及到斜面问题时, 通常就采用平行于斜面和垂直于斜面的坐标体系。
至于坐标系该怎么选, 其遵循的主要原则是: 努力使得尽可能多的力直接落在坐标轴上面, 这样一来, 在进行正交分解操作的时候, 所需要去处理的那些三角函数数量就能达到最少了。高分的选手通常都会采用良好的作图习惯。这种习惯可以让他们在紧张的考试节奏当中保持冷静。这样做有助于减少不需要的计算失误。
六、避坑指南
大家在进行力学学习的时候, 有一些陷阱是上一届的下一届的学生都会重复掉进去的。这里面最为典型的一个现象就是关于“惯性力”的问题。必须明确一个概念, 我们对物体做受力分析时, 分析的仅仅是该物体在现实中真正受到的那些外力, 而惯性仅仅属于物体本身所具备的一种固有属性, 它并不是一种力。
因此绝对不要因为理解错误, 就在他画出的受力示意图里面强行加入一个根本不存在的所谓“惯性力”, 这种行为会直接导致你在建立动力学方程的过程中出现多余的一项错误的计算结果。与此相似, 向心力并不是哪种单独存在的力, 它其实就是像重力那样的力、弹力或者摩擦力, 这些力汇聚在了一起, 并且指向了圆心, 所以它就是合力。要是你在画图中, 既要画出拉力, 又要画出向心力, 这就犯了分析受力时重复计算的毛病。
另一个常见的误区是关于摩擦力的方向。很多学生在潜意识里面, 一直觉得摩擦力肯定是在阻碍物体的移动样子, 其实这完全是错误的看法。摩擦力真正阻碍的, 并不是物体本身的运动, 而是物体和别的物体之间的相对移动, 或者只是想要移动的这种趋势情况。
大家可以想一想走路的场景, 这时候地面给鞋底产生的摩擦力, 其方向其实是朝前的正方向, 这个力正是用来推动人向前走的动力来源。至于放在传送带上面的模型问题里, 摩擦力的具体方向更是变得非常复杂多样。避开这些直觉陷阱的最好办法, 就是把严格回归定义作为一种原则。我们要用物理规律代替生活常识来思考问题, 让理性分析胜过感性直觉, 这确实是物理学习的进阶之路。
在最后阶段, 你必须特别留意多力平衡里使用的矢量合成方法。如果一个物体受到三个或者更多个力的作用, 那么在正交分解法之外, 在某些情况下, 使用力的矢量三角形或者是平行四边形定则会变得比较方便一些。
尤其存在那种两种特殊情况的时候, 比如说两个力之间的夹角恰好是特殊角, 又或者是某一个力的方向保持不变而另外一个力的大小和方向都在发生变化, 这时候利用动态三角形的方法就能让你非常直观地看清楚受力方面的极值是如何发生变化的。你要是能够多掌握几种数学处理工具, 那么, 你的受力分析模板, 就会变得更加灵活, 也会更加好用。
学习物理力学这条路上, 从来就没有什么可以省力的快捷方式存在, 但是却是有明确可循的方向和步骤的。大家只要按照这个叫作选对象、定顺序、用方法、抓临界、规作图、避误区的一套受力分析模板去操作, 就能把那些以前让人觉得乱七八糟、头绪不断的复杂力学大题, 变成一套套标准且规范的操作流程。
只要你能够坚持着进行那种有针对性的刻意训练, 总有一天你会发现物理知识再也不是那种虚无缥缈看不透的玄学东西了, 它其实是一段段逻辑非常严密且周延的逻辑推演过程。真心希望这套方法能够帮你彻底扫除那些阻碍你学习的力学方面的问题, 让你能够在未来的各种考试里面实现成绩的巨大反转并且获得胜利。你觉得在力学这门学科里头, 哪一部分的内容是最难啃的骨头? 大伙儿都来评论区里说说自己的想法, 留下你的留言, 咱们一块儿来琢磨琢磨看有没有什么好办法能把这些问题给解决掉。
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