心智圖資源庫 力和運動(物)
這是一篇關於力與運動思維導圖,介紹了重力與相互作用、彈性、摩擦力、力的合成與分解、共力點平衡、 牛頓第一定律等。
編輯於2024-02-15 23:50:34力和運動
重力與相互作用
重力與重心
由於地球的吸引而使物體受到的力。
G=mg,這通常取9.8m/s²,且越向兩極越大,越像赤道越小。
方向:豎直向下
作用點:因為物體各部位都受到重力作用,可認為重力作用集中於一點即為物體的重心。重心的位置與物體的質量分佈和幾何形狀有關,重心不一定在物體上,可以在物體之外。
力與相互作用
力是物體之間的相互作用。
力的性質
物質性:力不能脫離物體而存在。
相互性:力的作用是相互的。
向量性:力的向量,既有大小,又有方向。
力的單位:牛,用N表示。
力的分類
依性質分:可分為彈性、重力、摩擦等
依效果分:可分為支持力、動力、阻力、壓力等
作用效果:使物體發生形變,使物體獲得加速度。
力的三要素:大小、方向、作用點
決定了力的作用效果
力的表示方法:力的圖示、力的示意圖
測量工具:彈簧測力計
交互作用
引力交互作用存在於一切物體之間。地面物體所受的重力只是引力在地球表面附近的表現。
電荷間、磁體間的相互作用,本質上是電磁相互作用的不同表現。
強相互作用和弱相互作用存在於原子核內,兩者在距離增大時,強度均急速減小作用範圍,只有原子核的大小,強相互作用的強度是弱相互作用的10¹²倍。
彈性
概念及產生條件
定義:發生彈性形變的物體,由於要恢復原狀,對與它接觸的物體產生力的作用,這種力叫做彈性
產生條件:物體直接接觸、發生彈性形變
彈力的有無
接觸不一定有彈性,只有發生彈性形變的兩相互接觸的物體間才存在彈性。
方法
形變效果明顯的情況,可由形變狀況直接判斷彈力的存在與否
假設相互作用的物體間有彈性,看被研究物體的狀態是否改變。若改變,則有;若不改變,則無
撤掉與之接觸的物體,看被研究物體的狀態是否改變。若改變,則有;若不改變,則無
幾種常見的彈性方向
彈力的方向與物體形變方向相反,作用在迫使物體發生形變的那個物體上,彈力是法向力,彈力垂直於兩個物體接觸面
輕繩或橡皮條對物體的彈性方向,沿繩指向繩收縮的方向,即只能為拉力
彈簧兩端的彈性方向,與彈簧中心軸重合,指向彈簧恢復原狀方向,可以是拉力或壓力。彈簧測力計的彈力,只能是拉力
接觸面的彈性
點與面接觸時的彈性方向或接觸點垂直於接觸面或接觸面切線方向,而指向受力物體
面與面接觸時,彈力的方向垂直於接觸面,而指向受力物體
球與面接觸時,彈性的方向在接觸點與球心的連線上,而指向受力物體
球與球相接觸時,彈力的方向垂直過接觸點的分切面,經由兩球球心而指向受力物體
輕桿可受,壓力也可受壓力作用,可沿桿也不可沿桿,方向依題意而定
胡克定律及應用
在彈性限度內,彈簧的彈性與其形變數(伸長或縮短的長度)成正比
F=kx(K為彈簧勁度係數,x為彈簧型變量, f為彈性)
從彈簧的端點,實際位置與彈簧處於原長時端點位置對比,判斷彈簧的形變形式與形變量,並由此判斷彈性的方向
輕彈簧的特點
繩只產生拉力、,張力繩的拉力沿繩的方向,並指向繩的收縮方向,他無法產生支持作用
品質可忽略不計
規律
輕繩各處受力相等,且拉力方向沿繩子
輕繩不能伸長
用輕繩連接的系統,通過輕繩的碰撞、撞擊時 系統的機械能有損失
輕繩的彈性會發生突變
輕彈簧
特點:可以被壓縮或拉伸,其彈性的大小與彈簧的伸長量或收縮量有關
規律
輕彈簧各處受力相等,其方向與彈性形變的方向相反
彈簧的彈性不會發生突變
串並聯關係
串聯:兩根完全相同的彈簧串聯起來,其進度係數只是一根彈簧進度係數的一半,這是因為彈簧圈數變多的原因
並聯:若兩根完全相同的彈簧並聯起來,其進度係數是一根彈簧進度係數的兩倍,這是由於彈簧絲變粗的原因
摩擦力
概念及產生條件
當一個物體在另一個物體的表面上相對運動或具有相對運動的趨勢時,受到的阻礙相對運動或阻礙相對運動趨勢的力叫做摩擦力,可分為靜摩擦力和滑動摩擦力
產生條件
接觸面粗糙
相互接觸的物體間有彈性
接觸面間有相對運動或相對運動趨勢
摩擦力的有無(方法)
條件法:接觸面之間有壓力,粗糙且有相對運動的趨勢
「塗油法」:假設在接觸面間塗一層理想的光滑的油,若運動狀態不變,責無摩擦,若運動狀態改變,則有摩擦,方向與相對運動方向相反
狀態法:物體的運動狀態和物體受力有關係
力的相互作用法:當一物體受摩擦力方向不易判斷時,可根據與之相互作用的另一物體所受摩擦力的情況進行判斷,根據二力等大反向的特點
靜摩擦力方向(方法)
假設法:假設兩個物體接觸面光滑 (靜摩擦力的方向跟物體相對運動的方向相反)
若兩個物體不發生相對運動,表示他們原來沒有相對運動趨勢,也沒有靜摩擦力
若兩個物體發生相對運動,則表示他們原來有相對運動趨勢,並且原來相對運動趨勢的方向,根據假設接觸面光滑相對運動的方向相同
平衡法:根據二力平衡的條件,可以判斷靜摩擦力的方向
反推法:從研究物體表現出的運動狀態與受力情況,反推它必須具有的條件
靜摩擦力的大小(相對運動趨勢的強度)
趨勢越強靜,摩擦力越大,但不能超過最大靜摩擦力
跟接觸面相互擠壓力f無直接關係,具體大小可由物體的運動狀態結合動力學規律
最大靜摩擦力率大於滑動摩擦力
靜摩擦力的作用效果是阻礙物體的相對運動趨勢,但不一定會阻礙物體的運動,可以是動力,也可以是阻力
滑動摩擦力
滑動摩擦力的方向總是與物體相對,運動的方向相反
結論
疊在一起的同向運動的兩個物體,運動快的物體受到的摩擦力是阻力,運動慢的物體受到的摩擦力是動力
疊在一起的相向運動的兩個物體,兩個物體所受到的摩擦力都是阻力
計算
分清是靜摩擦力還是滑動摩擦力
用定義計算:F=μFn
利用平衡方程式計算
利用牛頓第二定律計算(非平衡狀態時,可用動力學方程式計算)
滑動摩擦力的大小與接觸面的大小,物體移動的速度和加速度無關,只由動摩擦因數和正壓力決定,而動摩擦因數與接觸面材料的性質和粗糙程度有關
摩擦力突變
物體受力或運動改變(導致物體的受力情況和運動性質的突變)
靜摩擦力是被動力(有無以及大小、方向取決於物體間的相對運動的趨勢及所受其他力的情況)
摩擦力存在最大值
摩擦力為零的狀態是方向變化的臨界狀態
靜摩擦力達到最大值,是物體剛好保持相對靜止的臨界狀態
滑動摩擦力存在於發生相對運動的物體之間(兩物體速度相同時,滑動摩擦力可能會突變)
摩擦力的最大靜摩擦範圍以內,能維持兩物體相對靜止(加速度相等),則突變為靜摩擦力或消失,否則不會突變
力的合成與分解
力的合成與平行四邊形定則
合力:一個力產生的效果,能跟原來幾個力共同作用,產生的效果相同 力的合成:求幾個力的合力 合力與分力是一種等效取代的關係
平行四邊形定則
子主題
計算
勾股定理
tan(角度)
子主題
在平行四邊形中,分力一定 分力的夾角越大,合力越小
合力隨分力大小變化的關係
兩分力之間的夾角為銳角時,若其中一個分力從零開始增大,則合力增大
兩個分力之間的夾角為鈍角時,其中一個分力從零開始增加,則合力先減少後增大
分解、定解
地面上物體受斜向上的拉力F,拉力F一方面使物體沿水平地面前進,另一方面向上提物體,因此拉力F可分解為水平向前的力F1和垂直向上的力F2•F1= Fcosα,F2=Fsinα
質量為m的物體靜止在斜面上,其重力產生兩個效果,一是使物體具有沿斜面下滑趨勢的分力F1,二是使物體壓緊斜面的分力F2•F2=mg•sinα,F2 =mg•cosα
質量為m的光滑小球被垂直擋板擋住,而靜止於斜面上時,其重力產生兩個效果:一是是球壓緊擋板的分力F1,二是使球壓緊斜面的分力F2•F1=mg•tanα
正交分解
將已知力以相互垂直的兩個方向分解
建立座標軸:一般選共點力的作用點為原點
在靜力學中,以少分解力和容易分解力為原則(盡量多的力在座標軸上)
在動力學中,習慣以加速度方向和垂直加速度方向為座標軸,建立座標系
物體受到多個力,求合力F時,可將各力沿相互垂直的x軸,y軸分解
最值問題
共力點平衡
平衡狀態與平衡條件
共點力平衡是指作用在物體上同一點或作用線相交於一點的幾個力,使物體保持勻速直線運動或靜止狀態
條件:F合=0
推論
二力平衡:若物體在兩個共力點的作用下處於平衡狀態,這兩個力必定大小相等,方向相反
三力平衡:如果物體在三個共點力的作用下處於平衡狀態,其中任何一個力與另外兩個力的合力大小相等,方向相反,並且這三個力的向量可以形成一個封閉的向量三角形
多力平衡:如果物體在多個共點力的作用下處於平衡狀態,其中任何一個力與另外幾個力的合力大小相等,方向相反
物體受力個數
先整體法後隔離法
1.場力(重力、電場力、磁場力) 2、接觸力(彈性、摩擦) 3、其他力
方法
正交分解法
向量三角形法(相似三角形)
多體平衡、空間平衡
先整體(已知外力)後隔離(求內力)
先隔離(已知內力)後整體(求外力)
受力不在同一平面平衡時,將立體平面化
臨界極值
臨界問題:當某種物理現象(或物理狀態)變成另一種物理現象(或另一種物理狀態)的轉折狀態
假設推理法
極端值
極大值
極小值
綜合
極限分析法:把某個物理量推向極端
在臨界處,以平衡問題的方法分析計算
牛頓第一定律
內容及理解
一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力,迫使它改變這個狀態
1.物體不受力時的運動狀態保持勻速直線運動狀態或靜止狀態 2.力不是維持物體運動的原因,物體運動不需要力量來維持 3.力是改變物體運動狀態的原因(運動狀態改變的物體所具有的加速度或力是使物體產生加速度的原因)
指出一切物體都有慣性(牛頓第一定律也叫慣性定律)
慣性的理解及運用
物體具有保持等速直線運動狀態或靜止狀態
量度:質量(質量大的物體慣性大,質量小的物體慣性小)
物體慣性大小與位置受力、運動狀態等無關
普遍性:慣性是物體的固有屬性,一切物體都有慣性
牛頓第二定律
內容及基本計算
物體加速度的大小跟它所受到的作用力成正比,跟物體的質量成反比,加速度的方向跟作用力的方向相同
性質
因果性:力是產生加速度的原因。若不存在力,則沒有加速度
向量性:力和加速度都是向量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定(F=ma,等號不僅表示左右兩邊數值相等,也表示方向一致-物體加速度方向與所受合外力方向相同)
瞬時性:當物體(質量一定)所受力發生突然變化時,加速度也要同時發生突變;當合外力為零時,加速度同時為零加速度與合外力保持一一對應關係(力的瞬間效應)
相對性:自然界中存在著一種座標系,在這種座標系中,當物體不受力時,將保持勻速直線運動或靜止狀態,這樣的座標係叫慣性參考系(地面和相對於地面靜止或做勻速直線運動的物體,可以看做是慣性參考系,系牛頓定律只在慣性參考系中材城)
獨立性:物體所受各力產生的加速度,不干擾,物體的實際加速度則是每一個力產生加速度的向量和,分力和分加速度在各方向上的分量關係,也遵循牛二
同一性:a與F與同一物體某一狀態相對應
影像
F-t影像
如圖所示,圖線1表示力F不隨時間:的變化而變化,即物體受到的力為恆力:圖線2表示力F隨時間:的變化而均勻變化,即物體受到的力為變力,加速度也是變化的.
在時間x軸上方,力F為正,表示物體所受到的力的方向為正方向:在時間:軸下方,力F為負.表示物體所受到的力的方向為負方向.
兩條F-t圖線的交點表示兩個物體所受到的力相同,圖線的斜率大小表示力隨時間變化的快慢。
F-t圖線與時間座標軸所圍的面積大小等於一段時間內力F的衝量大小,即I=Fr.若力F是恆力,則圖線所圍的面積為S1=I1=Ft;若力F是變力,用微元法可以得到S2=I2=ΣFntn.因此,無論物體受到的力是恆力還是變力,都可以利用F-t影像來求衝量.
從F-t影像得出衝量後,可以利用衝量的定義式求出這段肘間的平均力
F-a影像
意義:反應了物體加速度隨時間變化的規律。
如果影像平行於t軸,表示物體做等變速直線運動;如果影像是曲線或傾斜的直線,表示物體做變加速度運動。
影像在第一象限,表示物體加速度方向為正方向;影像在第四象限,表示物體加速度方向為負方向。
影像與t軸圍成的面積表示為物體速度變化量,面積在第一象限表示物體速度在正方向上的增加量,面積在第四象限表示物體速度在負方向上的增加量。
力學單位制
基本單位和導出單位
警示
是國際單位的,不一定是基本單位(在國際單位制中,除七個基本單位以外的單位都是導出單位)
物理量單位之間的關係可能透過對應的物理公式導出,但並非所有物理量的單位都可以相互導出
性質
同向性:加速度的方向與物體所受合,外力的方向相同
向量性(平行四邊形定則、三角形法則、建立直角座標系)
分解力
分解加速度
瞬間性
突變問題
細線和桿(接觸面):形變數極小,形變恢復不需要時間,彈性在瞬時突變
彈簧或橡皮繩:形變數極小,形變恢復需要時間,彈性在瞬時不突變
變加速直線運動
雨滴下落模型:阻力隨速度變化,所以加速度隨合外力變化
彈力、彈力床模型:彈性會隨著形變數的變化而變化,而形變數又會隨著運動的進行而變化
機車啟動過程:恆定功率啟動過程中,機車牽引力會隨著速度的增加而減少
連結體問題
隔離法、整體法
整體法:若連接體內各物體具有相同的加速度,且不需要求物體之間的相互作用力時,可以把它們看成一個整體,分析整體受到的合外力
隔離法:若連接體內各物體的加速度不相同,或要求出系統內各物體之間的作用力時,需要把物體從系統中隔離出來
交替應用:若連接個物體具有相同的加速度,且要求物體間的作用力時,可以先用整體法求出加速度,然後再用隔離法選取適當的研究對象(先整體求加速度,後隔離求內力)
加速度不同時
連接體受力特徵
在任何情況下,繩中張力大小相等,繩、桿和彈簧兩端受到的彈力大小也相等
接觸連接的兩個物體,接觸物彼此受到的彈性等大反向
運動特點(加速度不同)
彈簧連接:在彈簧發生形變的過程中,兩端連接體的速率、加速度大小不一定相等,在彈簧形變數最大時,兩端連接體的速率相等,但加速度大小仍不一定相等
接觸連接:兩個將接觸的疊塊,相對滑動發生時,加速度有可能不相同
基本應用(力和運動的橋樑是加速度)
知力求運動/知運動求力
受力分析:要求按比例畫出物體的受力圖
運動分析:根據物體所受合外力和初速來決定
分析物體的受力用牛二求加速度 根據運動特徵,用運動學公式求物體的運動情況
多過程
由多個小過程構成,上一過程的末態是下一過程的初態,對每個過程分析(加速度可能會變,但速度不變)
常見模型
直線運動:水平面上的直線運動、斜面上的直線運動、輸送帶上的直線運動
圓週運動:繩索模型圓週運動、圓週運動桿模型圓週運動、拱形橋模型圓週運動
平拋運動:與斜面相關的平拋運動、與圓軌道相關的平拋運動
牛頓第三定律
概念及理解
物體之間的作用是相互的,兩個物體中,一個物體對另一個物體施加力的同時,後一物體一定同時對這個物體產生力的作用(反作用力),也就是說一個物體是施力物體的同時,同時也是受力物體(把兩個物體間這種相互作用力叫作用力和反作用力)
牛頓第三定律:兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反,作用在同一直線上
公式:F=-F'
作用力和反作用力與平衡力
關係
三同:大小、性質、變化狀況
三異:方向、受力物體、產生效果
三無關:物體種類、物體運動狀態、物體是否和其他物體有交互作用
比較
不同點
受力物體
作用力和反作用力:作用在兩個相互作用的物體上
平衡力:作用在同意物上
依賴關係
作用力與反作用力:同時產生、同時消失、同時變化,不可單獨存在
平衡力:無依賴關係,撤出一個力另一個力課依然存在,只是物體受力不再平衡
力的性質
作用力和反作用力:一定相同
平衡力:可同可不同
相同點
作用力與反作用力:大小方向
平衡力:大小相等、方向相反、作用在同一直線上
超重與失重
概念
超重:物體對支撐物的壓力(對懸掛物的拉力)大於物體所受重力的現象
失重:物體對支撐物的壓力(對懸掛物的拉力)小於物體所受重力的現象
完全失重
當物體向下的加速度等於g時,物體對支撐物的壓力(對懸掛物的拉力)等於零
完全失重時,與重力有關的現象全部消失
注意:當物體處於完全失重狀態時,與所接觸的其他物體之間沒有彈性作用,此時物體只受重力或引力 重力的作用效果完全用來改變物體的運動狀態,而不使物體發生形變,即物體的視重為零
實重:物體實際受到的重力大小,即真實重力 視重:測量出來的重力大小,即表現出來的重點
計算與應用
超重
物體的加速度方向垂直向上
運動狀態:加速上升或減速下降
方程式:F-mg=ma F=m(g a)
失重
物體的加速度方向垂直向下
運動狀態:加速下降或減速上升
方程式:mg-F=ma F=mg-ma
完全失重
物體的加速度方向垂直向下,大小等於重力加速度g
以a=g加速度下降或減速上升
方程式:mg-F=ma F=0
牛頓運動定律的綜合應用
等時圓
規律
(甲)物體沿著位於同一垂直圓上的所有光滑弦由靜止下滑,到達圓週最低點的時間相等
(乙)物體從同一垂直圓的最高點由靜止開始沿著不同的光滑弦到圓週上各點所用的時間相等
條件
直圓
光滑
起點為最高點或終點為最低點
子主題
軌跡長為弦長
特點
物塊沿弦運動時間都等於物塊沿直徑自由下落的時間
滿足等時規律的物體運動起點和中點在同一圓週上
臨界狀態(產生臨界值和極端值的條件)
接觸物體分離的條件:相互作用的彈性為零,加速度相等
繩子鬆弛(斷裂)的臨界條件:繩中張力為零(最大)
兩個物體發生相對滑動的臨界條件:靜摩擦力達到最大值,加速度相等
加速度最大的條件:合外力最大
速度取最值的條件:加速度為零時,速度取最值(絕大多數情況)
板塊問題中的應用
特點:涉及兩個物體,且物體間存在相對滑動
規律分析
注意兩種位移關係:滑塊由滑板的一端移動到另一端的過程中 若滑塊和滑板同向移動時,位移之差等於板長 若滑塊和滑板反向運動時,位移總和等於板長
若板長為L,滑塊位移為x1,滑板位移x2 同向運動時:L=x1-x2 反向運動時:L=x1 x2
步驟
畫受力圖
分析運動過程(畫初、末運動狀態)
抓板塊聯繫(時間、速度、位移)
列方程式
傳送帶
水平
傾斜
模型綜合
能量、動量
力學(F=ma)
運動學