力学中的模型简化

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ahfnhui
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  1 错图分析
  在《高中物理人教版教材(必修1)》(以下简称为《必修1》)第四章第五节“牛顿第三定律”中,谈到“物体的受力分析”时,教材讨论了一个静止于斜面上的滑块,并给出了两幅受力分析图(见图1).
  例如,一个物体静止在粗糙斜面上,我们按重力、弹力、摩擦力的顺序来分析它的受力情况(图1(a)).木块受到重力G,方向竖直向下;木块和斜面接触并相互挤压,木块受到垂直斜面向上的弹力FN;假设木块和斜面之间没有摩擦,木块就会向下滑动,由此可以判断,静止的木块相对斜面有向下滑动的趋势,所受的静摩擦力Ff是沿斜面向上的.通常在不考虑物体的转动效果时,为了便于观察,我们把物体所受的各个力集中画在同一个作用点上(图1(b)).
  需要强调的是,必须十分明确我们是在分析哪个物体所受的力.在上面的例子中,涉及木块的作用力和反作用力共有三对:重力G和木块对地球的引力、弹力FN和木块对斜面的压力、静摩擦力Ff和木块对斜面的静摩擦力.由于我们是在对木块的受力情况进行分析,所以只把这六个力中木块所受的三个力画出来了.
  遗憾的是,这里的第一幅图是错的,因为支持力的作用点弄错了,使得物体所受的合力矩不为零,故物体不能平衡.正确的做法可以采用“三力共点”法(即物体若受三个不平行的力而平衡,则三力的作用线必共面且过同一个点)来判断,故而支持力的作用点必须下移至重力作用线与摩擦力作用线(斜面)的交点,如图2(a)所示.图2中还给出一些相近情形的物体受力示意图,如在光滑斜面上下滑的物体和在不光滑平面上受摩擦力而减速运动的物体.
  如果刚体的形状、大小可以忽略,或者说我们不关心其转动状态,只关心其平动情况,那么就可以进一步简化,得到质点模型.此时,由于物体变为一个点,故所有的力就只能作用在这个点上.图1的第二幅图本质上就是把物体视为质点时的受力图画法.一般对此的解释是“为了方便,我们把力的作用点移到重心”,而《必修1》的说法是“为了便于观察,我们把物体所受到的各个力集中画在同一个作用点上”,而实际上是我们此时根本就不需要、不关心作用点的信息,故而从图中根本就看不出作用点的信息.
  这表明,随着模型的不断简化,力的要素内容也越来越少.通常熟知的“力的三要素”针对的是一般物体.对于刚体,“三要素”的内容已经变了.而对于充分简化后的质点,“三要素”也就退化为“两要素”.
  高中物理教材几乎只谈及质点.例如,《必修1》第10页在注脚中指出,“在高中物理必修课中,我们只研究那些能够简化为质点的物体的运动,因此今后不再区分”物体“和”质点“两个词”.根据上面的分析,高中教材对力的要素的要求应该就只是大小和方向这两要素.然而,《必修1》对力的图示要求是确切表明大小、方向和作用点,而对力的示意图的要求是确切表明方向和作用点(大小示意即可).而我们看到其实只有对最高级别的真实物体才能有这样的要求.所以,教材在这方面存在着巨大的不自洽.如果肯定教材对“力的示意图”的规定,那么《必修1》中几乎所有的受力图(如其中的图3.3-5、4.3-1、4.3-2、4.5-9、4.6-1和4.6-2)都因未画出真实作用点而不符合这种规定,从而都不是“力的示意图”,顶多算是更弱意义下的“力的示意图”(即只要方向,不要作用点).图2中的三幅图才算是真正的、符合规定的“力的示意图”,当然这必定以刚体模型为前提.
  这种内在不自洽是长期而广泛存在的.例如2003年6月第1版全日制普通高级中学教科书(必修)物理第一册中的图3-10、3-11、3-13、3-17、7-3、7-6、7-7、7-12、7-17.
  实际上,图1的第一幅图在某种意义上可以认为是没太大问题的,至少力的方向是对的,在质点模型下是允许的.但此时问题就在于:为什么在画支持力时把滑块当成质点,而在画摩擦力时又把它当成刚体?或者说,为什么支持力的作用点(作用线)不确切表示,而摩擦力的作用点(作用线)却要确切表示?要么就都确切表示(此时用刚体模型),要么就都不确切表示(此时用质点模型),这样才逻辑自洽.
  3 对教材内容的几点建议
  首先,鉴于前面所述的严重不自洽,教材必须给以新的处理.可以这样处理:(1)跟以前一样给出力的图示和力的示意图;(2)指出高中阶段一般只处理质点模型,此时相应地力只有两要素,不需要作用点;(3)修改对“力的图示”和“力的示意图”的规定,指出两种情况下所有力的作用点全部画在重心处.
  其次,高中现在的力学内容中,模型几乎只有质点,没有刚体.这使得高中阶段完全没有力矩、转动、倾倒、平衡等内容,但这些内容是日常经验中经常碰到的东西.而且,初中阶段就有了力臂、力矩等内容,大学阶段还要深入学习力矩、角动量等知识,而中间的高中阶段却完全缺失了这一块,造成学习上的不连贯.这不能不说是一种遗憾.建议高中教材恢复以前对这一块进行的介绍,可以写入选修系列中.这其实并不会给学生造成太大的负担,反而能让学生更好的解决实际中碰到的问题.
  参考文献:
  物理(必修1).人民教育出版社,2010年第3版,第83页.
  王忠明.谈力的作用点的位置.物理教学.2013,35(8),15-17.
其他文献
有时候,会忽然想起很多人,然后便想,在此时此刻,散落在各地的他们在做什么?或笑语,或沉思,或劳碌,或茫然,或幸福,或悲伤……有没有人如我一般,在刹那的失神中,神飞千里,去想起曾经的那些人,去想那些人此刻在天涯的种种情态?  每个人的生命中都会人来人往,一程程的告别,一场场的遇见,萍聚星散,有些人我们会偶尔记起,有些人便远在回忆之外了,化作回望时匆匆掠过的一个场景,辨不清容颜,甚至漫漶了名字。只是在
几年前的一个午后,我与几个大姐在一家茶吧喝茶聊天。当谈起自己的婚姻生活时,一位大姐形容婚姻说,其实婚姻是一锅粥,需要小火慢熬。要知道,世上最好的粥,都是小火慢熬出来的,而婚姻的幸福,恰是一年又一年守出来的,只有当你有了要熬一锅好粥的闲情时,你才会真正品出婚姻的幸福味道。  那时我刚结婚不久,听了这位大姐的比喻,再想想身边那些走马灯似的离婚男女,我甚至嘲笑她有点迂腐。婚姻是一锅粥,还要小火慢熬?现代
把米桶的米储满,把孩子的牛奶增加几个品种,把先生的白衬衣洗得白白净净,甚至最好还能让冰箱里有一碗吃剩的粉蒸排骨,或者剩一碗冰镇银耳汤……在妈来之前,我提醒自己尽快做好这一切,让妈看到的是她理想中的衣食不愁的幸福小家,不给妈留下任何担忧。  这不是一场走过场的上级对下级的检查,也不是一场下级敷衍上级的伪装。  多年来,在妈来我家的路上,我对照妈的喜好一点点修炼自己,矫正自己,揣摩着孝敬妈的最好方式—
我不是个画家,但撷取美的片刻,是我的心愿;我不是个作家,但记录每一次的感动,是我的习惯。  仔细想想,生活的本身即是书、即是画。也许前一刻,我们是阅书观画的读者;而下一刻,却又变成书中主角、画中人物了。更有可能,我们同时既是读者又是主角。  每个日子,都是内容不同的一本书,风格迥异的一幅画。只是我们的脚步太匆忙了,常常忘记去读它、欣赏它,随意地浏览过去,便断言生活是一味地今日抄袭昨日,只是公式化的
以前在一家外企上班的时候,身边有个女同事不太招人喜欢,常年不苟言笑,和谁说话都板着一张脸。常年穿着屈指可数的几套衣服,且不施粉黛,平时有聚餐聚会或者集体活动,她也基本推掉,让人觉得孤傲得可以。  然而,就是这样的一个女孩子,却在一次公司的年会上,让所有的人震撼不已。  那次公司聚会,主题很轻松,让每个人敞开心扉谈谈自己的家庭生活及未来理想,这也是外企人性化管理很重要的组成部分。  那一次,在大家都
在别人眼里,科学课相对于语数外是一门小学科,但对长沙市宁乡县金洲镇中心小学科技教师刘章平来说,这门课程虽小,却一样能做出大文章。  他从事小学科学教育工作8年,收获了不少荣誉——全国创新教育科研先进个人、全国劳技创新作品优秀指导老师、第十届宋庆龄少年儿童发明奖湖南省优秀园丁奖、第31届长沙市科技创新大赛优秀科技指导老师等,指导的学生作品“毛尖采摘机”、“防挤防踩踏楼梯”、“多功能泥工刀”等也多次在
父亲是名中药师,在我记忆之中,房子里堆满各式各样的草类花木。  小时候我常对着那堆物件发愣,总在其中拾拣碎枝或捧起花蕊,便往口鼻送入,有的发出微微香气,勾引着唾液分泌;有的暗藏玄机,往往到舌才被或苦或辣呛出泪滴。  而父亲总会对我说些小故事,关于草药的。记得他曾说本来草木森林的主人是归属神灵的,草药是神灵死后的遗留,所以才会具有神力,可以治病。我追问着:“他们长什么样啊?是不是像精灵?会不会飞?有
别人是手机不离身,胡晴是手不离算盘。  工作以后,胡晴的办公桌上就摆着一把老式算盘。第一次下基层检查工作,她带着一个宽大的公文包,别人以为包里装着笔记本电脑,当她打开包的时候,大家才讶然发现,她竟然从包里面掏出一把算盘。需要核算一串数字的时候,大家手机、计算器一起上阵,唯有胡晴运筹帷幄、气定神闲,听见报数,一阵“噼里啪啦”声,其他人还在奋力运算的时候,她早就得出了答案。  胡晴的算盘确实打得好,好
对抗失业,职场中人要做的不是盲目准备“武器”,而是自我盘点,找到最有利的“战场”。当资历、专业、“金饭碗”都不值得信任时,你要靠学更多专长或转到热门行业去应对吗?其实,你真正需要的是终生就业的能力。  你是一位专业人士吗?你认为你够专业,就可以一辈子无忧无虑吗?如果你的答案为“是”,请试想以下问题:  如果你所在的产业突然发生巨变,你必须面临被裁员,你能在3个月内找到和现在一样令你满意的工作吗? 
美国生物化学家朱利叶斯·阿克塞尔罗德于1912年出生在纽约一个贫困家庭。为了供他上学,父母费尽苦心,克服了许多困难。这让朱利叶斯非常感动,他下定决心发奋学习,珍惜这来之不易的学习机会。为了将更多的时间用在学习上,他天天起早贪黑,甚至缩减吃饭的时间。    一天,朱利叶斯在阁楼上埋头学习。母亲在下面叫他下来吃饭,喊了几次不见动静,只好把饭菜端上去。他一边看书,一边下意识地将盘子里的东西夹起来往嘴里送