到这里,我们就完成了一个最典型运动过程的分析:一个物体在某种力(重力或者其它力)的作用下开始改变运动状态,这个改变就体目前它具有肯定的加速度a上。而加速度a能够通过牛顿第二定律F=ma得到,然后我们就能够通过加速度分析物体的运动状况了。
基本上,这就是高中物理要学的一切,是高中物理的主干,也是整个牛顿力学的主干。
好,假如牛顿力学的核心就是这样点东西,但你要出题,你要给千万考生出题。而且,出的题一不能超纲(比如不准用微积分),二还得有区分度,怎么办?
牛顿力学的核心框架就是通过分析物体的受力来分析物体的运动。于是,牛顿第二定律F=ma就把所有问题都切割成了两部分:受力部分和运动部分。
那我们出题也就有了一个基本的思路:我能够已知物体的受力状况,让你求物体的运动状况;或者反过来,已知物体的运动状况,让你求物体的受力状况。
前面我们分析了苹果在引力作用下的运动状况,我也能够把这个过程颠倒过来:告诉你苹果是怎么运动的,让你求苹果的受力状况。
然后,引力的问题基本上就完了。
那样,假如我还想把问题弄复杂一点,怎么办?能怎么办,引力玩完了,那就再换一种力呗。
正如文章开始说的,我们现在已知的所有力,归结起来就是引力、电磁力、强力和弱力。可是,强力和弱力在日常生活中一般感觉不到,高中也不学,先不论。
那样,引力之外,就仅有电磁力了。
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电磁力
一看到电磁力这个名字, 许多人就认为这是不是仅有在电线、磁铁出现的地方才存在的力?
可是,按照上面的说法,似乎日常生活中除了引力,其它现象都应该是电磁力主导的。
受引力影响的现象还是很好推断的,大抵就是被地球吸引着往下落的现象。可是,日常生活中明显还有 许多不是引力主导的现象,比如推桌子,拉物体,桌面拖住茶杯,压缩弹簧,摩擦地面等等。
在日常生活中,那些力都有 一部分比较形象的名字:推力、拉力、支持力、弹力、摩擦力。
它们一定不是引力,按照上面的说法,不是引力似乎就应该是电磁力了。可是,那些现象里没有电线和磁铁,好像又不是电磁力。
那样,它们究竟是不是电磁力呢?元芳,你怎么看?
元芳:“大人,按照文章的推理,应该是电磁力;按照我们直觉,似乎不是电磁力。此文乃科普文,科学应该重推理,轻直觉。因此,属下断定,它们必定都是电磁力!”
随后,小微给元芳点了个赞。
什么原由呢?你看啊,不论是推力、拉力、支持力、弹力还是摩擦力,它们都是“接触力”,都是两个物体非常靠近以后产生的一种力。
可是,你想过没有,为何两个物体一靠近,一接触就会产生一种力呢?为何我去推桌子,桌子就会受到一种力而运动?
你可能认为这个问题很蠢。我去推桌子,桌子当然会受到一个力啊。
其实,这个问题并没有那样显而易见。你再想一下,人在推桌子时,究竟发生了什么?
我们知道,人和桌子都由无数分子组成,宏观上我的手通过“接触”桌子推动了桌子,微观上则是组成手的分子不断靠近组成桌子的分子。
而分子是由原子组成的,原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。这么,当那些分子、原子相互靠近时,它们之间就会产生一种电磁力,这就是分子间作用力,也叫范德华力。
大量分子间的范德华力,就形成了我们宏观上感觉到的推力、拉力、支持力、弹力、摩擦力…
分子间作用力有引力也有斥力,这个细节目前先不论。我们看看图,大致知道它是怎么变动的就行了:
上图纵轴表示分子间作用力,横轴表示分子间的距离。
紫色曲线表示斥力随距离的变动图,黄线表示引力随距离的变动图,红线是引力与斥力的合力,也就是综合的分子间作用力的变动图。
能够看到,不论是引力还是斥力,都是距离越远越小,越近越大。可是,由于两者变动趋势不同,最后总的分子间作用力就是红线这么的变动规律。
大体上,当两个分子间距离很远时,分子间以引力为主;当距离小到肯定程度时,斥力极具增大,成为主导。
所以,为何你能推动桌子?