浅谈运动和力的关系

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  物体的运动形式多种多样,每一种形式的运动都与它们所受到的力有着密切的关系。作为动力学基础的牛顿运动定律深刻揭示了运动和力的关系,成为我们分析各种运动现象的依据。通过学习,学生们能从理性认识上接受这些理论,但在行为上,思想感情上是否真能接受呢?
  有牛顿第一定律可知,一切物体在不受力(指物体所受外力的合力为零)时,总保持匀速直线运动状态或静止状态,物体速度的大小和方向都保持不变,即运动状态不变,没有加速度。有位学生在学习了牛顿第一定律后说,对牛顿第一定律只能承认一半。他说他骑自行车上学脚不用蹬,车子由于惯性会向前运动,地面摩擦和风小一些,车子就能运动得远一些,可以想象如果阻力更小些,自行车不用蹬就能运动得更远,这是令人信服的。但他又接着说,把车停下,你不推它、不蹬它,车怎么会运动呢?所以总觉得力和运动是连在一起的。
  这位学生提出的问题非常典型,即使高中学生学过动力学也末必真能从感情上去接受第一定律。下面我们就通过两方面讨论这个问题:
  一方面,我们应该清楚牛顿第一定律描述的是一种理想化的状态。即牛顿所假定的绝对空间坐标中,可以存在相对于这一坐标系是不受任何外力作用的静止物体,也可以存在不受任何外力作用的相对于这一坐标是运动的物体。在这样条件下,定律自然是正确的,然而现实中却看不到这种情况,即使看到静止物体和在某一段时间内做匀速直线运动的物体,它们也都是受到平衡力的作用,不受任何外力作用的物体是不存在的。所以通常在应用牛顿第一定律研究具体问题时,只是对这种理想化状态的近似,因此学生不易接受是很自然的。
  另一方面,作为理解物理学的基本概念来说,必须严格区分运动和运动状态改变这两个不同的概念:
  什么是运动?初中课本把物体位置的变化叫做运动。严格点应该是指物体对参照物(系)发生了位置的变化,静止也可以作为一种特殊的运动状态来对待:即物体对参照物(系)的位置变化为零。
  什么是运动状态的改变?物体由静止变为运动,由运动变为静止,或者改变运动方向。因此,除了匀速直线运动,任何变速运动(包括直线运动和曲线运动中物体速度大小和方向的变化)都是处于运动状态时刻发生改变的过程中。
  若物体所受的外力的合力不为零即物体受到了力的作用,它的运动状态就要发生改变,就要产生加速度。可见,力是使物体产生加速度的原因。由此可知,物体的加速度与它所受的力密切相关。另外加速度还与物体本身的质量有关,牛顿第二定律则是揭示了加速度跟力和质量的关系(包括数量关系和方向关系),它指出:物体的加速度跟所受的力成正比,跟它的质量成反比;加速度的方向跟力的方向相同。
  有牛顿第二定律可知,在不同的受力情况下,物体将发生不同形式的运动。(1)当物体受到的外力恒定不变时,它的加速度也恒定不变,物体将做匀变速运动。如自由落体运动和平抛运动,若不考虑空气阻力,则物体只受重力作用,由于在同一地点同一物体所受的重力是恒定的,即它所受的力为恒力,所以物体做的是匀变速运动。考虑到力的方向与速度方向间的关系,匀变速运动又可分为匀变速直线运动和匀变速曲线运动两种形式。若力的方向跟速度方向在同一直线上,则物体将做匀变速直线运动(如自由落体运动、竖直抛体运动等);若力的方向跟速度方向不在同一直线上,则物体将做匀变速曲线运动(如平抛运动、斜抛运动等)。(2)当物体受到的外力随时间变化时,物体的加速度也随时间变化,物体做变加速(度)运动,如匀速(率)圆周运动、简谐运动等。当然,变加速运动也分为变加速直线运动和变加速曲线运动两种形式,比如弹簧振子的振动就是变加速直线运动,原因是力的方向跟速度方向在同一直线上;而匀速(率)圆周运动则为变加速曲线运动,那是因为力的方向跟速度方向不在同一直线上。
  区分了两个不同概念就比较容易解决前面提出的矛盾了:那位同学觉得他把自行车推动起来或者开始骑行起来总是要力的,这是千真万确的!因为他在使原来静止的自行车变成运动的了,即使自行车运动状态发生了改变,这并不是牛顿第一定律所要研究的问题。明白了这层道理,我们就可以明确:运动和力是无关的,而运动状态的改变则正是存在力的作用的效果,要想知道物体做什么样的运动,首先必须弄清物体的受力情况(是否恒力、力的方向和速度方向是否在同一直线上),然后再应用牛顿运动定律进行分析,最终判断出物体的运动形式。反之,若知道了物体的运动情况,可先结合运动学公式求出加速度,再应用牛顿运动定律即可判断出物体的受力情况。所以说运动状态的改变和力是有关的。
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