浅谈高中物理“受力分析”

蔡憬波

摘 要：受力分析是高中物理课程的重要组成部分，涉及力学、热学、电学等，内容广泛。正确地分析物体的受力是解决高中物理问题的前提，而实际教学中，大部分学生受力分析能力较薄弱。近年来，高考对受力分析考查比率较大，学生得分率低。因此，为了让学生更深刻地体会到受力分析的重要性，掌握受力分析的步骤、方法，克服学习上的困难，笔者结合教学中的经验和体会，浅谈高中物理的“受力分析”。

关键词：受力分析；步骤；方法；应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0005-4

大部分学生认为物理是高中课程中最难的学科之一，主要体现在基本概念抽象、规律多样、方法繁杂而且关联性强、物理过程复杂，分析难度大等，众多因素对学生学习物理造成了一定障碍。在各类方法中，受力分析既是基本又是重点的步骤和方法，力学、电学、热学等问题的解决中都用到受力分析，因此学生做了很多相关的练习，但有些同学未能取得预期的学习效果，“谈力色变”。笔者结合多年的教学经验，从以下几个方面来谈谈自己对高中物理“受力分析”的一些浅见。

1 受力分析的概念和地位

高中物理中“受力分析”是将研究对象看作独立的物体，将它从周围的物体中隔离出来，根据力产生的条件，按照一定的顺序，分析它所受到的外界的作用力，并画出力的示意图的过程。进行受力分析时，如果过程復杂，应重视研究对象的运动过程分析，因为不同的运动过程物体的受力往往是不一样的。

在中学物理教材中，“受力分析”贯穿整个高中物理教学内容，力学、电磁学、热学等都涉及到受力分析。如力学主要研究物体的运动规律，有的物体做直线运动，有的物体做曲线运动，物体做怎样的运动是由它的初速度和受力决定的，正确受力分析并结合其初速度才能初步判断物体的运动情况，然后选择适当的物理规律，求出相关的物理量。又如电磁学，海南高考的计算题几乎每年都会考查带电物体在复合场（重力场、电场或磁场）中的运动，这类题目必须分析研究对象的物理过程及不同过程受到的重力、电场力或磁场力等，结合其初速度判断其运动性质，选择适当的规律，求出待求量。所以，受力分析的地位及重要性不言而喻。

2 与受力分析相关的知识

教师在进行受力分析教学前，应引导学生逐步认识并深刻领会以下几个知识点，为学好受力分析打好坚实基础。

2.1 力的命名、种类、性质

中学物理对力的命名方法有两种，一种是按性质命名，它的种类有重力、弹力、摩擦力、库仑力、洛伦兹力等；另一种是按效果命名，它的种类为压力、支持力、向心力、拉力、合力、分力等。这些都是高中物理教材中常见的力，受力分析时，只分析按性质分类的力，效果力不分析。教学过程中需通过一些具体形象的例子加深学生理解和领会，如物体在桌面上与桌子一起做匀速圆周运动的受力教学，让学生初步分析物体所受的哪些力是按性质命名的，哪些效果力不能分析。

力的性质包括物质性、相互性、矢量性等。每个力都有两个物体参与——施力物和受力物，每个力都能找到它的施力物，教学过程中要利用具体例子进行分析说明，加深认识。例如：物体沿静止的斜面向上运动，却并没有受到上滑力作用，因为找不到它的施力物，这就是力作用相互性的体现。另外，力具有矢量性，受力分析时根据力的三要素把力的示意图画出来。

2.2 力的表示方法

力的作用效果是使物体发生形变或改变物体的运动状态，而这样的效果决定于力的三要素，即力作用点、方向和大小。力的示意图是将受力粗略表示出来的方法，它体现了力的三大要素，受力分析时用一段带箭头的线段将力表示出来。教学时，多举些生活中的例子，让学生体会力的三要素，并学会画出力的示意图。如斜向上或斜向下推桌子时，让学生从不同方向体会推力的作用效果，并画出力的示意图。

3 受力分析的步骤

3.1 明确研究对象

在受力分析的实例中，根据题设条件，分析的对象可以是一个物体（质点或绳的结点），也可能是由几个物体组成的系统，明确对象后，将它从其他物体中隔离出来，分析它受到外界物体的作用力。

3.2 按照一定的顺序分析受力

确定研究对象后，根据各种力产生的逻辑顺序，先分析它受到的场力（重力、电场力、磁场力），如果对象是由几个物体构成的，则重力应为几个物体的重力之和，方向竖直向下。接下来分析弹力，弹力是接触力，在接触面（点）处找，根据弹力的产生条件和方向进行分析。最后分析摩擦力，摩擦力也是接触力，根据摩擦力的产生条件和方向进行分析。

3.3 画出物体的受力示意图

在分析出研究对象的受力后，沿着力的方向用一带箭头的线段将各个力表示出来，同一物体所有受力都画在一个作用点上，箭头表示力的方向，各个力的大小用长短不同的线段粗略表示。

3.4 注意事项

分析完后可从两方面检验，一是每个力都有与之对应的施力物，受力分析后，要找各力的施力物体，假如没有施力物体，则该力不存在。分析时，只分析按性质命名的力，像“合力、下滑力”等效果力只是所受力的合力或分力，不能重复分析。二是从力与运动的因果关系的协同入手。

4 受力分析方法及应用

4.1 受力分析方法

在确定受力分析的对象时常用隔离法和整体法。整体法就是把研究对象中所有运动状态相同的物体看成一个整体，分析整体的受力情况。隔离法就是把研究对象（一般为单个物体）从周围几个相关联的物体中隔离出来，分析研究对象以外的物体对它的作用力。对于由几个物体构成的系统（系统内的所有物体运动状态相同），分析系统外的物体对系统的作用力时，则采用整体法（连接体问题）；对于研究对象是一个物体，通常用隔离法进行受力分析。涉及到系统内部的作用力的时候，最终要隔离，同时要优先考虑整体。endprint

在分析出物体受几个力后，常用平行四边形定则、矢量三角形法、正交分解法等对所受的力进行处理。求出所有力的合力或某一个力的大小及方向。

4.2 受力分析在高中物理中的应用

在中学物理教学过程中，受力分析贯穿整个高中物理教学内容，应用范围广。

1.在静力学问题中

例1 已知A、B 的质量分别为mA和mB，如图1所示放置在光滑的圆筒中，则（ ）

A.圆筒对A的支持力为mAg

B.圆筒对A的支持力为（mA+mB）g

C.A对B的支持力为mBg/sinθ

D.A对B的支持力为mBg/tanθ

解析 整体法：以A和B整体为研究对象，在竖直方向只受向下的重力和向上的弹力，根据平衡条件得圆筒底部对A的支持力为F=（mA+mB）g。如果采用隔离法只分析A的作用力，则还要分析B对A的作用力，这样问题会复杂化。

隔离法：涉及到系统内部的作用力则用隔离法，如图2隔离B物体进行受力分析，对物体的受力进行正交分解（或用平行四边形定则或矢量三角形法则），由平衡条件得F1=mBg/sinθ，选B、C选项。

2.在动力学问题中

例2 如图3所示，m1、m2组成的连接体，在拉力F作用下，沿光滑斜面向上运动，m1对m2的拉力（ ）

对整体受力分析可知，整体受重力、拉力、支持力，合力为：F-（m1+m2）gsinθ=（m1+m2）a；再对m2受力分析，可知其受重力、绳子的拉力、支持力，合力为：T-m2gsinθ=m2a；

联立解得，T=F ，选A选项。

3.在热学问题中

例3 如图4所示，内壁光滑的气缸竖直放置，在距气缸底部l=36 cm处有一与气缸固定连接的卡环，活塞与气缸底部之间封闭了一定质量的气体。当气体的温度T1=300 K、大气压强p0=1.0×105 Pa时，活塞与气缸底部之间的距离l0=30 cm，已知活塞面积S为50 cm2，不计活塞的质量和厚度。现对缸内气体加热，使活塞缓慢上升，当温度上升至T2=540 K时，求：

1）封闭气体此时的压强；

2）该过程中气体对外做的功。

解析 1）确定活塞为研究对象是关键，对活塞进行受力分析，被封闭气体压强为p，则：

pS=p0S （1）

得：p=p0=1.0×105 Pa （2）

由等压和等容两个过程

解得：p1=1.5×105 Pa（3）

2）以活塞为研究对象，通过受力分析知封闭气体的压力F=p0S，该封闭气体仅在等压膨胀过程中对外做功，则：W=p0S（l-l0）=30 J。（本题着重在于研究对象的确定上，易忽视但很关键。）

4.在电磁学问题中

例4 如图5所示，竖直放置的足够长的光滑平行金属导轨MN，间距为l=0.50 m，导轨上端接有电阻R=0.80 Ω，导轨电阻忽略不计。空间有一水平方向的有上边界的匀强磁场，磁感应强度大小为B=0.40 T，方向垂直于金属导轨平面向外。质量为m=0.02 kg、电阻r=0.20 Ω的金属杆MN，从静止开始沿着金属导轨下滑，下落一定高度后以v=2.5 m/s的速度进入匀强磁场中，在磁场下落过程中金属杆始终与导轨垂直且接触良好。已知重力加速度为g=10 m/s2，不计空气阻力，求在磁场中：1）金属杆刚进入磁场区域时的加速度；2）若金属杆在磁场区域又下落h开始以v0匀速运动，求v0大小。

解析 1）对金属杆受力分析，根据E=BLv，结合闭合电路欧姆定律求出通过电阻的电流大小，由F=BIL得到安培力的大小。运用牛顿第二定律求出金属杆的加速度。

2）对金属杆受力分析，当重力等于安培力时，金属杆做匀速直线运动，根据共点力平衡以及闭合电路欧姆定律，求匀速直线运动的速度v0。

（对杆的不同过程进行受力分析是解决问题的关键，要抓住不同过程的运动衔接点，明确力与初始的运动条件。）

例5 如图6所示，与水平面成37°的倾斜轨道AC，其延长线在D点与半圆轨道DF相切，整个轨道为绝缘材料制成且位于竖直面内，整个空间存在水平向左的匀强电场，MN的右侧存在垂直纸面向里的匀强磁场（C点处于MN边界上）。一质量为0.4 kg的带电小球沿轨道AC下滑，至C点时速度为vC=m/s，接着沿直线CD运动到D处进入半圆轨道，进入时无动能损失，且恰好能通过F点，在F点速度为vF=4 m/s（不计空气阻力，g=10 m/s2，sin 37°=0.6，cos 37°=0.8）。求：

1）小球带何种电荷？

2）小球在半圆轨道部分克服摩擦力所做的功。

解析 1）小球在CD段进行受力分析，依题意可知小球在CD间做匀速直线运动，在CD段小球受到重力、电场力、洛伦兹力的作用且合力为0，因此，带电小球应带正电荷。

2）在D点对小球进行受力分析，由平衡条件知重力与电场力的合力为F，则F=qvCB；

对F点进行受力分析，小球受重力、电场力和洛伦兹力，由牛顿第二定律可得qvFB+F=，求出R=1 m，最后利用动能定理求出Wf≈27.6 J。

综上所述，受力分析广泛地应用到高中物理各个环节中，它的重要性不言而喻。掌握好受力分析的步骤、方法等可以为后续力的合成、分解奠定扎实的基础。在教学过程中，教师应通过各类型习题，让学生独立分析物理过程和各个过程的受力情况；让学生深刻體会受力分析的重要性，并及时纠正学生出现的错误；让学生切实学会受力分析，树立起学习的自信心，扫清学习上的障碍学好物理。

参考文献：

[1]普通高中物理课程标准实验教科书 物理 必修1[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]周誉蔼.普通高中物理课程标准实验教科书 物理 必修1教师用书[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]宋树杰.新课标教案 物理 人教版必修1[M].北京：人民教育出版社，2011.

[4]阎明松，张玉莹.优化探究[M].济南：黄河教育出版社，2008.

（栏目编辑 赵保钢）endprint