自由体图:如何在 HSC 物理中正确绘制力
学习如何隔离物体、辨认作用在物体上的力、判断正确的力方向,并避免常见的自由体图错误。
一个箱子正在粗糙的地板上向右滑动。箭头应该指向哪个方向?
大多数学生会画一个向右的箭头,因为箱子正在向右移动。这看起来很合理,但可能完全错误。自由体图不是用来表示运动方向的。它表示的是作用在某一个选定物体上的力。
这个差别就是整个关键。
假设箱子正在向右移动,但速度正在减慢。在继续阅读之前,先预测水平方向的合力应指向哪里。
它必须指向左方。物体可以向右移动,同时合力却指向左方。速度告诉你物体如何运动;合力告诉你它的速度如何改变。
一幅好的自由体图,会在开始代数运算之前先把这些概念分清楚。
01自由体图实际上在做甚么
想像你把一个物体从复杂的情境中单独取出来,让它独自在聚光灯下。暂时忽略场景中的其他部分,然后问:
此刻有哪些其他物体正在与这个物体相互作用?
每一种相互作用都可能产生一个力。
以一本静止放在书桌上的书为例:
- 地球透过重力把书向下拉。
- 书桌透过接触把书向上推。
这些就是作用在书上的力。
书也会透过重力把地球向上拉,并把书桌向下推。这些力是真实存在的,但它们作用在地球和书桌上,而不是作用在书上。因此,它们不应出现在书的自由体图中。
这就是为甚么「自由」这个词很重要。我们在概念上把一个物体从周围环境中独立出来,然后用力的箭头取代每一个相关的相互作用。

02能避免大多数错误的规则
在画任何箭头之前,先完成这句话:
「我正在画作用在 ______ 上的力。」
这个空格就是你所选择的系统。
如果系统是一架雪橇,那么每一个箭头都必须表示一个作用在雪橇上的力。
如果系统是站在雪橇上的人,箭头就会不同。
如果系统是人和雪橇的整体,那么人与雪橇之间的力会成为系统内力,通常不会出现在图中。
有一个稍微有点滑稽的想法,是把它当成一次「关系审查」。你不是在问:「这个故事里有谁?」而是在问:「谁真的正在和我选定的物体相互作用?」这个类比并不完全成立,因为力遵循的是物理相互作用,而不是社交戏码,但这种筛选思路很有用。
03一个可靠的四步方法
第 1 步:隔离物体
把物体简化成一个方框或一个点。通常不需要画出它真正的形状。
自由体图并不是场景的图画,而是一份力的清单。
第 2 步:列出相互作用
问自己:甚么东西可以对这个物体施力?
HSC 物理中常见的相互作用包括:
| 相互作用 | 常见的力 | 方向 |
|---|---|---|
| 地球与物体 | 重力 \(F_g\) 或 \(mg\) | 铅直向下 |
| 表面与物体 | 正向力 \(N\) | 垂直于表面 |
| 粗糙表面 | 摩擦力 \(f\) | 沿表面方向,反抗相对滑动或滑动的趋势 |
| 绳或缆索 | 张力 \(T\) | 沿绳方向,从物体向外拉 |
| 人或机器推/拉物体 | 外加力 \(F\) | 沿推或拉的方向 |
| 空气或水等流体 | 阻力 | 反抗物体相对于流体的运动 |
| 弹簧与物体 | 弹簧力 | 沿弹簧方向,指向其平衡位置 |
这个表格只是一个起点,不是一份你应该自动加入图中的力的清单。只有在对应的相互作用确实存在时,那个力才应出现在自由体图中。
第 3 步:按照每个力的实际物理方向画出来
箭头的方向由相互作用决定,而不是由你希望物体往哪里移动来决定。
例如,正向力垂直于接触表面。在水平地板上,这刚好代表铅直向上。
在斜面上,正向力则是倾斜的。
这也是为甚么常见的捷径 \(N = mg\) 很危险。有些情况下它确实成立,但这不是正向力的定义。
第 4 步:到这时才套用牛顿定律
当自由体图正确之后,你就可以写出
\[ \sum \vec{F} = m\vec{a} \]
其中,\(\sum \vec{F}\) 是作用在所选物体上的所有外力之向量和,\(m\) 是以公斤为单位的质量,而 \(\vec{a}\) 是以米每秒平方为单位的加速度。
自由体图要画在这条方程式之前,因为它会告诉你哪些力应该包含在总和之中。
04运动不是一种力
考虑一个冰球被击出后,在粗糙冰面上向右滑动。球杆已经不再接触冰球。
有哪些水平方向的力作用在冰球上?
一个很容易让人想选的答案是:
- 向左的摩擦力
- 向右的「运动力」
第二个力并不存在。
当球杆失去与冰球的接触后,球杆就不再对冰球施加接触力。冰球仍然可以继续向右移动,因为物体不需要一个向前的力来维持速度。
如果摩擦力是唯一的水平力,那么合力就会指向左方。因此,冰球的加速度向左,也就是说它向右的速度会减少。
这就是牛顿第一定律和第二定律共同作用的结果。
力与相互作用有关,而不会仅仅因为物体正在运动就自动存在。
05重力与正向力不是牛顿第三定律的一对力
一本书静止在水平桌面上。它的重力向下,而桌子对书施加的正向力向上。
这两个力的大小可能相等。这是否表示它们是牛顿第三定律的一对作用力与反作用力?
不是。
它们都作用在同一个物体–这本书–上。
牛顿第三定律的一对力必定作用在不同的物体上。
重力的第三定律力对是:
- 地球把书向下拉。
- 书把地球向上拉。
接触力的第三定律力对是:
- 桌子把书向上推,
- 书把桌子向下推。
只有作用在书上的力才属于书的自由体图。
06正向力并不会自动等于重力
对一个静止在水平桌面、且没有其他铅直方向力作用的物体而言,其铅直加速度为零。因此,
\[ \sum F_y = 0 \]
所以
\[ N - mg = 0 \]
因此
\[ N = mg. \]
留意刚才发生了甚么。我们是根据具体情况推导出 \(N = mg\)。
我们并不是把它当成一条普遍规则作为起点。
如果你向下推物体,\(N\) 可以大于 \(mg\)。如果你以某个角度向上拉物体,\(N\) 可以小于 \(mg\)。在斜面上,正向力甚至不是与整个重力方向相反。
07摩擦力并不单纯等于「与速度方向相反」
摩擦力会反抗表面之间的相对滑动,或相对滑动的趋势。
对一个在静止地板上向右滑动的物块来说,地板对物块的摩擦力向左。这很简单。
但想像一个箱子放在一辆开始向前加速的货车地板上。如果箱子没有滑动,那么作用在箱子上的静摩擦力会指向前方。
这可能看起来很奇怪,因为箱子也正在向前移动。但如果没有摩擦力,货车地板就会在箱子下方向前加速并超前。静摩擦力向前作用,是为了防止这种相对滑动。
因此,「摩擦力永远与运动方向相反」并不可靠。
更好的问题是:
如果没有摩擦力,两个表面会相对于彼此向哪个方向滑动?
摩擦力会反抗这种相对滑动或滑动趋势。
08范例:在地板上拉箱子
一个 \(6.0\text{ kg}\) 的箱子受到 \(24\text{ N}\) 的水平拉力向右拉动。作用在箱子上的摩擦力大小为 \(9.0\text{ N}\)。画出自由体图,并求箱子的加速度。
第 1 步:隔离箱子并找出每一个相互作用。
地球把箱子向下拉,地板把箱子向上推,施力者对箱子施加 \(24\text{ N}\) 的向右拉力,而地板则对箱子施加向左的摩擦力。
因此,四个力分别是:
- 重力 \(mg\),向下,
- 正向力 \(N\),向上,
- 外加力 \(24\text{ N}\),向右,
- 摩擦力 \(9.0\text{ N}\),向左。

第 2 步:处理铅直方向。
拉力是水平的,而且箱子没有铅直加速度,所以
\[ N - mg = 0. \]
它的重量为
\[ mg = 6.0 \times 9.8 = 58.8\text{ N}. \]
因此,
\[ N = 58.8\text{ N}. \]
第 3 步:求水平方向的合力。
取向右为正方向。
\[ \sum F_x = 24 - 9.0 = 15\text{ N}. \]
第 4 步:使用牛顿第二定律。
\[ \begin{aligned} \sum F_x &= ma \\ 15 &= 6.0a \\ a &= 2.5\text{ m s}^{-2} \end{aligned} \]
箱子的加速度为向右 \(2.5\text{ m s}^{-2}\)。
重点在于,加速度是由合力决定的,而不是单纯因为箱子正被向右拉。
09斜面上的力
斜面会令自由体图变得更有意思,因为「向上」与「垂直于表面」不再是同一个方向。
考虑一个位于斜坡上的物块。
它的重力 \(mg\) 仍然铅直向下。地板倾斜并不会令重力跟著旋转。
正向力 \(N\) 垂直于斜面。
如果存在摩擦力,摩擦力会沿著斜面作用。

在计算时,通常最好选择平行与垂直于斜面的座标轴。
此时,重力可以分解成两个分量:
\[ mg\sin\theta \]
沿斜面方向,以及
\[ mg\cos\theta \]
垂直于斜面,其中 \(\theta\) 是斜面相对水平面的倾角。
这些分量不是额外的力。它们只是把原本的重力沿著方便使用的座标方向表示出来。
这个区别很重要。你的自由体图不应把 \(mg\)、\(mg\sin\theta\) 和 \(mg\cos\theta\) 画成三个独立的重力。
10范例:物块沿粗糙斜面下滑
一个 \(8.0\text{ kg}\) 的物块沿著 \(30^\circ\) 的斜面向下滑动。作用在物块上的摩擦力为 \(12\text{ N}\)。画出自由体图,求正向力,并计算沿斜面的加速度。使用 \(g = 9.8\text{ m s}^{-2}\)。
第 1 步:找出真正存在的力。
物块受到三个力:
- 重力 \(mg\),铅直向下,
- 正向力 \(N\),垂直于斜面,
- 摩擦力 \(12\text{ N}\),沿斜面向上,因为物块正在沿斜面向下滑动。
不存在一个独立的「沿斜面向下的力」。沿斜面向下的作用来自重力的一个分量。
第 2 步:计算重量。
\[ mg = 8.0 \times 9.8 = 78.4\text{ N}. \]
第 3 步:把重力分解成垂直于斜面的分量。
垂直分量为
\[ mg\cos\theta. \]
物块不会穿过斜面加速,因此垂直于斜面的合力为零:
\[ \begin{aligned} N - mg\cos30^\circ &= 0 \\ N &= 78.4\cos30^\circ \\ N &\approx 67.9\text{ N}. \end{aligned} \]
留意 \(N\) 小于 \(mg\)。这正好说明了为甚么不能把 \(N = mg\) 当成一般规则。
第 4 步:把重力分解成平行于斜面的分量。
把物块沿斜面向下拉的分量为
\[ \begin{aligned} mg\sin30^\circ &= 78.4\sin30^\circ \\ &= 39.2\text{ N}. \end{aligned} \]
第 5 步:求沿斜面的合力。
取沿斜面向下为正方向。
\[ \sum F_{\parallel} = 39.2 - 12 = 27.2\text{ N}. \]
第 6 步:套用牛顿第二定律。
\[ \begin{aligned} \sum F_{\parallel} &= ma \\ 27.2 &= 8.0a \\ a &= 3.4\text{ m s}^{-2}. \end{aligned} \]
物块沿斜面向下的加速度为 \(3.4\text{ m s}^{-2}\)。
自由体图令计算变得容易处理,因为它先把真实存在的力分开,然后才让我们把其中一个力分解成有用的分量。
11张力沿著绳的方向
绳可以拉物体。理想的柔软绳子不能推物体。
因此,当一条绳连接到一个物体时,绳对物体的张力方向:
- 沿著绳,并且
- 从物体向外。
如果一个物体悬挂在铅直绳上,张力向上。
如果一架雪橇被一条与水平面成 \(20^\circ\) 的绳拉动,张力就指向水平线上方 \(20^\circ\) 的方向。
这个有角度的张力同时具有水平和铅直分量。它向上的分量可以减小正向力。
对一个与水平面成 \(\theta\) 角、大小为 \(T\) 的张力,
\[ T_x = T\cos\theta \]
以及
\[ T_y = T\sin\theta. \]
同样地,\(T_x\) 和 \(T_y\) 是同一个张力的分量,而不是两个新的物理相互作用。
12甚么时候应该画一个箭头?
在加入任何力的箭头之前,试著问自己:
「是哪一个物体正在施加这个力?」
如果你说不出来,就应该提高警觉。
对重力而言,答案是地球。
对正向力而言,是接触表面。
对摩擦力而言,是另一个表面。
对张力而言,是绳或缆索。
一个神秘的「运动力」、在已经找出向心方向的力之后又额外加入的「向心力」,或「加速度力」,通常都无法通过这个检验。
特别是「向心力」,它是对圆周运动所需净向内合力的描述,而不一定是一个额外的力。视情况而定,这个向内的合力可能由张力、重力、摩擦力、正向力,或它们的组合提供。
13精简自由体图检查表
完成一幅图后,检查以下各点:
- 我是否已清楚选定一个物体或系统?
- 每一个箭头是否都代表一个作用在该系统上的力?
- 我能否说出造成每一个力的另一个物体?
- 重力是否铅直向下?
- 正向力是否垂直于接触表面?
- 张力是否沿著绳的方向?
- 我是否根据相对滑动或其趋势来判断摩擦力,而不是盲目地令它与速度方向相反?
- 我是否不小心把速度或加速度画成一个力?
- 我是否把牛顿第三定律的一对力同时画在同一个物体上?
- 我是否误把力的分量当成额外的力?
如果这些问题都掌握得好,之后大多数动力学计算都会清楚得多。
14问题与解答
问题 1
一盏 \(4.0\text{ kg}\) 的灯静止悬挂在一条铅直绳上。画出灯的自由体图,并计算绳中的张力。使用 \(g = 9.8\text{ m s}^{-2}\)。
解答 1
灯受到两个力:向下的重力与向上的张力,而张力为 \(39.2\text{ N}\)。
灯是静止的,因此它的加速度为零。所以铅直方向的合力必须为零。
它的重量为
\[ \begin{aligned} F_g &= mg \\ &= 4.0 \times 9.8 \\ &= 39.2\text{ N}. \end{aligned} \]
取向上为正方向,
\[ \begin{aligned} \sum F_y &= 0 \\ T - mg &= 0 \\ T &= 39.2\text{ N}. \end{aligned} \]
因此,自由体图应包含一个向上的 \(T\) 箭头和一个向下的 \(mg\) 箭头,两者大小相等。
一个常见错误是,因为绳正在「承受重量」,所以再加入另一个向下的力。灯的重力已经代表地球对它施加的万有引力。绳只提供向上的张力。
问题 2
一个 \(10\text{ kg}\) 的木箱受到一个大小为 \(50\text{ N}\)、方向为水平线上方 \(37^\circ\) 的拉力,在水平地板上移动。作用在木箱上的摩擦力为 \(18\text{ N}\)。画出自由体图,计算正向力,并求水平方向的加速度。使用 \(g = 9.8\text{ m s}^{-2}\)。
解答 2
正向力约为 \(68\text{ N}\),木箱沿拉力的水平方向以约 \(2.2\text{ m s}^{-2}\) 的加速度运动。
作用在木箱上的力有:
- 重力 \(mg\),向下,
- 正向力 \(N\),向上,
- 大小为 \(50\text{ N}\)、方向在水平线上方 \(37^\circ\) 的拉力,
- 摩擦力 \(18\text{ N}\),与滑动方向相反。
首先计算重量:
\[ mg = 10 \times 9.8 = 98\text{ N}. \]
拉力的铅直分量为
\[ \begin{aligned} F_y &= 50\sin37^\circ \\ &\approx 30.1\text{ N}. \end{aligned} \]
物体没有铅直加速度,所以
\[ \begin{aligned} N + 30.1 - 98 &= 0 \\ N &\approx 67.9\text{ N}. \end{aligned} \]
正向力小于重量,因为绳的拉力正在帮助支撑木箱。
拉力的水平分量为
\[ \begin{aligned} F_x &= 50\cos37^\circ \\ &\approx 39.9\text{ N}. \end{aligned} \]
因此,水平方向的合力为
\[ \sum F_x = 39.9 - 18 = 21.9\text{ N}. \]
利用 \(\sum F_x = ma\),
\[ \begin{aligned} 21.9 &= 10a \\ a &\approx 2.19\text{ m s}^{-2}. \end{aligned} \]
所以加速度约为 \(2.2\text{ m s}^{-2}\)。
一个很容易犯的错误是直接使用 \(N = mg = 98\text{ N}\)。这样会忽略有角度拉力的向上分量。
问题 3
一名乘客站在一部正在向上行驶但逐渐减速的升降机中的体重计上。一名学生说:「因为升降机正在向上移动,所以体重计对乘客的推力一定大于乘客的重量。」
这名学生正确吗?画出乘客的自由体图,并说明体重计读数与乘客重量相比应该如何。
解答 3
这名学生并不正确。当向上移动的升降机减速时,体重计读数必须小于乘客的重量。
只有两个显著的力作用在乘客上:
- 重力 \(mg\),向下,
- 体重计施加的正向力 \(N\),向上。
关键是把速度与加速度分开考虑。
升降机正在向上移动但逐渐减速,因此它的加速度向下。乘客也因此具有向下的加速度。
要使合力指向下方,
\[ mg > N. \]
因此,
\[ N < mg. \]
体重计测量的是接触力,也就是正向力 \(N\),而不是直接测量 \(mg\)。所以它的读数会低于乘客平常静止时的读数。
这个错误观念源自把运动方向误认为合力方向。物体可以向上移动,同时受到向下的合力,只要它正在减速即可。
问题 4
一个小物块静止在货车的水平地板上,并且没有滑动。货车开始向右加速。
一名学生画出的物块自由体图只有向下的重力与向上的正向力。另一名学生则加入一个向左的摩擦力,因为「摩擦力永远反抗运动」。
解释每幅图中缺少了甚么或错在哪里。指出作用在物块上的摩擦力方向。
解答 4
作用在物块上的静摩擦力指向右方。第一幅图缺少这个水平力,而第二名学生则选错了方向。
如果物块没有受到水平力,根据牛顿第二定律,它的水平加速度就会是零。货车地板会在它下方加速向右,而物块则倾向维持原本的水平速度。
因此,相对于货车而言,物块会有向左滑动的趋势。
静摩擦力反抗这种相对滑动的趋势,所以货车地板对物块施加的摩擦力指向右方。
正是这个向右的摩擦力令物块产生向右的加速度:
\[ f_s = ma \]
前提是所需的摩擦力不超过可提供的最大静摩擦力。
重要的陷阱在于「摩擦力反抗运动」这句话。物块正在向右移动,而摩擦力也向右。摩擦力反抗的是接触表面之间的相对滑动,或相对滑动的趋势。
问题 5
一个物块以恒定速率沿粗糙斜面向下滑动。一名学生在图中画出了三个力:铅直向下的重力 \(mg\)、垂直于斜面的正向力 \(N\),以及沿斜面向上的摩擦力 \(f\)。接著,他又加入第四个力,标示为「沿斜面向下的合力」,因为重力在那个方向具有一个分量 \(mg\sin\theta\)。
指出错误之处。然后求摩擦力与分量 \(mg\sin\theta\) 之间的关系。
解答 5
第四个箭头是不正确的。没有额外的合力需要画出来,而摩擦力的大小必须等于 \(mg\sin\theta\)。
合力并不是另一个独立的相互作用。它是图中已存在的实际力之向量和。
同样地,\(mg\sin\theta\) 也不是在 \(mg\) 之外额外存在的力。它只是原有重力沿斜面方向的分量。
因为物块以恒定速率移动,所以它的加速度为零。因此,沿斜面的合力为零。
取沿斜面向下为正方向,
\[ \begin{aligned} \sum F_{\parallel} &= 0 \\ mg\sin\theta - f &= 0. \end{aligned} \]
因此,
\[ f = mg\sin\theta. \]
即使物块正在移动,沿斜面的力仍然互相平衡。合力为零代表加速度为零,而不是速度为零。
这就是自由体图重要的更深层原因:一旦你能把真正的相互作用与运动、分量和合力区分开来,牛顿定律就会变成一个可以有条理处理的力学记帐问题,而不是靠猜测作答。下一个值得学习的步骤,是如何选择座标轴并有效地分解二维情况中的力,尤其是斜面与圆周运动。