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所谓共点力是怎么回事?

 当以读书通世事 2023-10-22 发布于甘肃

      高中教学中,共点力概念只在力的合成一节出现,此后再也不提,那么,课本强行将共点力带入高中物理,意图何在?课本定义的共点力概念是否科学?

一、高中课本关于共点力的说法

      现行人教版高中物理必修第一册说法是:“几个力如果都做用在物体的同一点,或者他们的作用线交于一点,这几个力叫做共点力。”

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      紧接着,课本介绍了几个共点力可以用一个力等效替代,这就是力的合成,并通过实验介绍了共点力的合成规则——平行四边形定则。

二、作用点不在同一点的“共点力”效果真的可以用一个力等效替代?

      按课本文本分析,这个问题应该得到肯定的回答。问题是,实际上,几个力不作用于物体上同一点,而是作用线交于一点,它们的作用效果是无法用一个力来等效替代的!

      比如一根弹簧或者橡皮条,两端受到两个等大反向的力的作用,这两个力的“合力”为零,然而,弹簧形变并不为零!用一个零值力,无法等效替代两端的两个等大反向的力!类似的,两个人一左一右用等大反向的力拉着中间的人的两只手,很显然,对中间那个人来说,他不会同意说他感受到的是一个零值合力,即他不会同意这个观点:他没有感觉到有力作用于他!

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      再比如,一个纸箱子或者一个塑料、胶皮箱子,用两根不平行的绳子在箱子上的两个不同位置栓住并将箱子吊起,和用一根绳子在箱子中部某个位置栓住并将箱子吊起,按课本思路,这一个力与那两个力共点,作用效果可以相互等效替代。然而,两根绳子吊起箱子时,是两个栓接位置被拉鼓起来了,一根绳子吊起箱子时,却只有一个栓接位置被拉鼓起来了,显然,一根绳子在中部某个位置吊起箱子,和两根绳子在两个不同位置吊起箱子,效果并不完全相同,也无法相互替代!

      因此,要使几个力与一个力真的等效替代,就必须严格的要所有的力作用于物体上同一点,而不是仅仅要求作用线交于一点。

三、课本强行带入共点力意图何在?又如何“可行”?

      这个问题,得从甲种本说起,八十年代盛行的高中甲种本物理课本是专门开有力矩平衡的内容的。实际上,谈力的作用线,就是要谈力臂问题,也就是力矩问题。另一方面,对于力矩问题,甲种本也不处理可形变物体的情况,只处理刚体情况。

      对于刚体,要使合力与分力在力的效果(加速度)和力矩的效果(角加速度)都相同,就需要几个分力作用于物体上同一点或者作用线交于一点。

      然而,现行高中物理课本几乎只处理质点问题,而很少涉及刚体的平衡问题,最新版人教版课本甚至把轻杆类问题彻底删掉了(当然,同步教辅资料肯定会保留轻杆类问题),因此,作用线共点的概念的强行带入,就失去了基本的必要性。

      另外,高考题却专门考察过弹簧两端受力时弹簧的长度对比问题:

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      也就是明确考查了不能视为质点的物体的形变问题!并非如同很多老师以为的高中物理只处理质点模型!对于这个问题,如前所述,弹簧两端的拉力的效果,无法用一个零值合力等效替代!课本让共点力包含作用线交于一点的几个力的情况,显然有失严谨!

四、教学建议

      其一,编课本或教学中,共点力只提作用于物体上同一点的情况,不提及作用线交于一点情况。

      其二,教学中删掉轻杆类、重杆类平衡问题,只处理质点类问题回避物体大小、形状对受力问题的影响——既然把物体都处理成质点,那物体的受力,当然就是共点力,当然直接用共点力的平行四边形定则!

      有的老师为了应付教辅资料里面的杆子类问题,不得不引入“三力汇交原理”(其实就是力矩平衡知识!),这实在是一些教辅资料或教师随意拓展的结果!

 

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