HSC 物理中的接触力与场力

学习如何区分接触力与场力、辨认每个力是由哪个物体施加,并避免常见的力图错误。

把一本教科书放在书桌上。它静止不动。听起来很简单,直到你问:实际上有哪些力作用在书本上,又分别是哪些物体施加这些力?

你可能会说,重力把书本向下拉,而书桌把它向上推。很好。现在用手把书本拿起来。重力消失了吗?当然没有。书本仍然与地球发生交互作用,只是不再与书桌发生交互作用。

这就带出了我们要用的实用区分。有些力要求物体彼此接触;另一些力则即使物体彼此分开,仍然可以作用。

在正式为它们命名之前,先做个预测。一块磁铁被拿在一个钢制回纹针上方几公分处。磁铁还没碰到回纹针,回纹针就向上跳起。磁力是接触力吗?

不是。即使两者之间仍有空隙,这个力仍然存在。因此,它是场力。

01第一个要问的问题:什么和什么正在交互作用?

力并不是物体单纯「拥有」的东西。力是两个物体之间的交互作用。

当你辨认一个力时,可以尝试把下面这句话补完整:

作用在 ___ 上、由 ___ 施加的力。

以放在书桌上的教科书为例:

  • 地球对书本施加重力。
  • 书桌对书本施加法向力。

这种表达方式可以避免一个非常常见的错误。学生常常只列出力的名称,却没有指出力的来源。只写「法向力」,不如写成**「书桌对书本施加的法向力」**有用。

你可以把力想像成一则永远需要有发送者和接收者的讯息。「我收到了一则简讯」告诉你有事情发生了,但「我收到 Mia 传来的简讯」则告诉你讯息来自哪里。力也可以用同样的方式理解:找出受到力的物体,以及造成这个交互作用的物体。

不过,这个类比也有其限制,因为力并不是真的像讯息一样在物体之间传递。这只是一种帮助你记住「每个力都代表一种交互作用」的方法。

02接触力需要物理接触

接触力是在两个物体彼此接触时作用的力。

HSC 中常见的例子包括:

接触力造成它的交互作用
法向力表面推动与它接触的物体
摩擦力两个表面抵抗相对滑动,或抵抗相对滑动的趋势
张力被拉紧的绳子、细线或缆线拉动与它连接的物体
空气阻力空气分子与运动中的物体发生交互作用
阻力流体与在其中运动的物体发生交互作用
外加力一个物体直接推动或拉动另一个物体

假设你靠在一面墙上。你的肩膀推墙,而墙也反过来推你的肩膀。墙不需要有肌肉才能「推」。这个力来自两个表面中的原子之间的交互作用。

在微观层次上,许多接触力最终都涉及带电粒子之间的电磁交互作用。不过,在 HSC 的力分类中,我们仍把它们称为接触力,因为在巨观尺度下,这些物体彼此有物理接触。

法向力是一种表面力

这里的 normal 并不是「普通」的意思。在数学和物理中,normal 指的是法向,也就是垂直。

因此,法向力的方向会垂直于产生这个力的表面。

如果一本书放在水平桌面上,桌面施加的法向力就是竖直方向。

如果一个物块放在斜面上,法向力就不是竖直方向。它的方向垂直于斜面。

一个有标示的物块静置于斜面上。其重量垂直向下、朝向地球,而法向力则垂直于斜面。
重量是朝向地球的场力;法向力是垂直于斜面的接触力。

这就是为什么死记「法向力向上」会造成问题。只有当相关表面是水平的时候,它才会直接向上。

摩擦力沿著接触表面作用

摩擦力的方向平行于彼此接触的表面。

一条很容易让人接受的规则是:

摩擦力总是与运动方向相反。

这条规则太粗略了。

摩擦力所抵抗的是接触表面之间的相对滑动,或相对滑动的趋势。

想像你向前走路。你的脚向后推地面,而地面产生的静摩擦力则向前推你的脚。因此,作用在你身上的摩擦力可以和你整体运动的方向相同。

摩擦力的方向取决于两个表面彼此之间有什么相对运动的趋势,而不只是取决于整个物体正往哪个方向移动。

张力来自被拉紧的连接物

连接在箱子上的绳子可以拉箱子,但不能推箱子。

绳子对箱子施加的力称为张力。它的方向沿著绳子,并由被拉物体向外。

要特别注意力的来源。如果一个人用绳子拉动箱子,直接作用在箱子上的力通常是由绳子施加的,而不是由人的手直接施加。

人与绳子发生交互作用。绳子再与箱子发生交互作用。

画力图时,这个区别会非常重要。

03场力可以跨越一段距离作用

现在回到回纹针和磁铁的例子。两者没有物理接触,但回纹针仍然加速。

场力可以作用在彼此没有接触的物体之间。

HSC 物理中最重要的三种场力交互作用是:

场力涉及的物体
重力具有质量的物体
电力带电物体
磁力磁铁、磁性材料,以及运动中的电荷或电流

「场」这个概念提供了一种描述方式,让我们能说明一个物体如何在自己所在的位置受到力,而不需要与力的来源直接接触。

例如,地球在周围产生重力场。当一本书放在这个场中时,它会受到重力。

在这个阶段,最重要的分类规则很简单:

如果发生交互作用的物体必须彼此接触,就把这个力分类为接触力。如果交互作用可以跨越一段距离发生,就把它分类为场力。

这条规则很有用,但还需要补充一点。即使两个物体刚好彼此接触,场力仍然可以作用。分类是根据交互作用的类型,而不只是看当下两个物体之间是否存在空隙。

一本放在地球上的书仍然受到重力这种场力,即使它同时透过地板和桌子间接受到接触力的支撑。

04重量就是地球施加的重力

学生有时会把「重量」当成某种存在于物体内部的性质。更好的做法是辨认出相关的交互作用。

在地球表面附近,物体的重量就是地球对该物体施加的重力。

它的大小为

\[
F_g = mg
\]

其中,\(F_g\) 是以牛顿(N)为单位的重力,\(m\) 是以公斤(kg)为单位的质量,而 \(g\) 是以牛顿每公斤(N kg\(^{-1}\))为单位的重力场强度。

在地球表面附近,\(g\) 约为 \(9.8\text{ N kg}^{-1}\)。

因此,质量和重量并不是同一件事。质量描述物体具有多少惯性;重量则是由重力交互作用产生的力。

例题:一台静止的笔记型电脑受到哪些力?

一台质量为 \(1.6\text{ kg}\) 的笔记型电脑静止放在水平书桌上。找出作用在笔记型电脑上的力,将每个力分类为接触力或场力,并求出它们的大小。

步骤 1

地球与笔记型电脑之间有重力交互作用。书桌则与笔记型电脑接触。

因此共有两个力:

  • 地球对笔记型电脑施加的重力,
  • 书桌对笔记型电脑施加的法向力。

步骤 2

重力是场力。

法向力是接触力。

步骤 3

\[
F_g = mg = (1.6\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 15.68\text{ N}
\]

所以重力约为 \(16\text{ N}\),方向向下。

步骤 4

笔记型电脑是静止的,因此它的加速度为零。所以合力必须为零。

向上的法向力必须平衡向下的重力:

\[
F_N = 15.68\text{ N} \approx 16\text{ N}
\]

书桌对笔记型电脑施加约 \(16\text{ N}\) 的向上法向力。

重点不只是存在「两个大小相等的力」。它们是两种不同的交互作用,而且来源也不同。

05不要因为物体正在运动,就凭空加上一个力

假设一个冰球在几乎没有摩擦的冰面上向右滑动。

当冰球离开球杆之后,是什么力继续把它向前推?

答案可能是没有任何力。

如果你带著日常生活中「物体要持续运动就需要持续推力」的想法,这可能感觉很奇怪。但牛顿第一定律告诉我们并非如此。力是用来改变速度的,而不是用来维持恒定速度的。

一旦球杆不再接触冰球,球杆就不再对冰球施加接触力。

冰球之所以能继续向前运动,是因为它的惯性。

在地球上,它仍然受到地球施加的重力,以及冰面施加的法向力。如果阻力小到可以忽略,那么水平方向甚至可能完全没有力。

这提供了一个在辨认力时非常有用的检查方法:

不要只是因为物体正朝某个方向运动,就画出一个朝该方向的力。你必须找出一个实际上正在与它交互作用、而且能够施加这个力的物体。

如果你无法说出力的来源,那么这个力就值得怀疑。

06力图只应包含作用在所选物体上的力

考虑一个箱子被绳子拉著,在粗糙的地板上移动。

在继续阅读之前,先预测一下你会在箱子的力图上画出哪些力。

你应该找出四种交互作用:

  1. 地球向下施加重力。
  2. 地板对箱子施加法向力。
  3. 地板对箱子施加摩擦力。
  4. 绳子对箱子施加张力。

注意哪些力没有出现在图上。箱子可能会对地球、地板和绳子施加力,但那些力不应该出现在箱子的力图上。

自由体图会把一个物体单独隔离出来,只显示作用在该物体上的外力。

一个箱子被绳子拉著,在粗糙的水平地板上向右移动。自由体图显示地球施加的重力向下、地板施加的法向力向上、绳子施加的张力向右,以及地板施加的摩擦力向左。
作用在箱子上的力:重力是地球施加的场力;法向力、张力和摩擦力则是由地板或绳子施加的接触力。

一种实用的命名格式是

\[
F_{\text{来源物体对研究物体}}
\]

例如,\(F_{\text{地球对箱子}}\) 表示地球对箱子施加的力。

你不需要每次都使用这种记号,但用这种方式思考,可以让你更可靠地辨认各个力。

例题:被水平拉动的悬挂招牌

一个质量为 \(8.0\text{ kg}\) 的招牌由一条垂直缆线悬挂。一个人用另一条绳子水平拉著招牌,而招牌保持静止。找出作用在招牌上的每个力,将它们分类为接触力或场力,并求出垂直缆线中张力的大小。

步骤 1

招牌与以下物体发生交互作用:

  • 地球,
  • 垂直缆线,
  • 水平绳子。

没有地板或墙壁与招牌接触,因此不存在来自地板或墙壁的法向力。

步骤 2

地球对招牌施加重力。这是场力。

垂直缆线对招牌施加张力。这是接触力。

水平绳子也对招牌施加张力。这是接触力。

步骤 3

\[
F_g = mg = (8.0\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 78.4\text{ N}
\]

步骤 4

因为水平绳子是水平的,所以它没有垂直分量。招牌保持静止,因此垂直方向的各力必须平衡。

因此,

\[
F_{\text{垂直缆线}} = 78.4\text{ N}
\]

垂直缆线对招牌施加大小为 \(78.4\text{ N}\) 的向上张力。

这个例子说明,计算之前必须先找出每个力的来源和方向。如果你凭空加上一个法向力,或把人的拉力当成直接作用在招牌上的力,那么在开始任何数学运算之前,力图就已经错了。

07接触力与场力的区别,不等于推力与拉力的区别

我们很容易用日常语言来分类力:接触力负责「推」,而场力负责「拉」。

这种分类方式行不通。

绳子产生的是接触力,而且会拉物体。

法向力也是接触力,而且通常会推物体。

重力会造成吸引。

电力可以是吸引力,也可以是排斥力。

磁性交互作用也可以产生吸引或排斥,具体取决于系统。

所以应该根据交互作用来判断,而不是根据日常使用的动词:

这种类型的力是否要求发生交互作用的物体彼此物理接触?

如果需要,就是接触力。如果不需要,就是场力。

08一套可靠的力辨认方法

当一道力学题变得复杂时,可以每次都按照同一个顺序处理:

  1. 选定你正在分析的物体。 不要把作用在不同物体上的力混在一起。
  2. 列出与它发生交互作用的物体。 留意地球、表面、绳子、流体、磁铁、电荷,以及其他与它接触的物体。
  3. 为每种交互作用所产生的力命名。 例如,地球产生重力,表面可能产生法向力和摩擦力,而绳子会产生张力。
  4. 分类交互作用。 判断它是接触力还是场力。
  5. 检查力的来源。 把「作用在 ___ 上、由 ___ 施加的力」这句话补完整。
  6. 最后才使用牛顿定律。 力图会告诉你哪些力应该出现在方程式中。

这种方法比死记一组组箭头更可靠,因为即使遇到不熟悉的情境,它仍然适用。

09问题与解答

问题 1

一个马克杯静止放在水平桌面上。找出所有作用在马克杯上的力,说明每个力是由哪个物体施加,并将每个力分类为接触力或场力。

解答 1

有两个力作用在马克杯上:地球施加的重力,以及桌面施加的法向力。

地球向下对马克杯施加重力。重力是场力,因为重力交互作用不需要物理接触。

桌面向上对马克杯施加法向力。法向力是接触力,因为它是由马克杯与桌面之间的接触产生的。

因为马克杯静止,所以它的加速度为零,因此这两个力大小相等、方向相反。

一个常见错误是另外画出一个「重量力」和一个「重力」。在这里,它们并不是两个不同的力。马克杯的重量就是地球对它施加的重力。

问题 2

一名自行车骑士在水平道路上向前行驶,车轮没有打滑。在某一瞬间,后轮胎向后推道路。道路对后轮胎施加什么水平方向的力?这是什么类型的力?为什么它可以和自行车骑士的运动方向相同?

解答 2

道路对后轮胎施加向前的静摩擦力,而这是一种接触力。

在轮胎与道路的接触点,轮胎向后推道路。道路则对轮胎施加一个相应的向前作用力。

这个力是静摩擦力,因为轮胎滚动时,接触点并没有发生滑动。

摩擦力并不一定与整个物体的运动方向相反。它所抵抗的是表面之间的相对滑动,或相对滑动的趋势。在这里,轮胎有相对道路向后滑动的趋势,因此道路对轮胎施加的摩擦力指向前方。

容易掉入的陷阱是说:「自行车骑士正在向前运动,所以摩擦力一定向后。」这条规则之所以失效,是因为它忽略了两个表面之间的交互作用。

问题 3

一个 \(3.5\text{ kg}\) 的包裹由一条轻质垂直绳子悬挂在静止的电梯内。找出作用在包裹上的力,将每个力分类,并计算绳子的张力。使用 \(g = 9.8\text{ N kg}^{-1}\)。

解答 3

包裹受到大小为 \(34.3\text{ N}\)、方向向下的重力,以及大小为 \(34.3\text{ N}\)、方向向上的张力。重力是场力,而张力是接触力。

地球施加的重力为:

\[
F_g = mg = (3.5\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 34.3\text{ N}
\]

绳子向上对包裹施加张力。

因为包裹是静止的,所以它的加速度为零。因此合力为零:

\[
F_T – F_g = 0
\]

所以

\[
F_T = 34.3\text{ N}
\]

这个结果表示,绳子向上的拉力恰好平衡地球向下的重力。

包裹没有受到法向力,因为它并没有靠在任何表面上。包裹位于电梯里,并不代表「电梯」就一定会对它施加一个力。只有实际与包裹发生交互作用的物体,才应该出现在它的力图中。

问题 4

一颗小钢球用细线悬挂著。一块强力磁铁在没有碰到钢球的情况下被移到钢球附近,使细线朝磁铁方向倾斜。一名学生说:「磁力一定是接触力,因为钢球最后会移得更近,而且可能碰到磁铁。」

这名学生说得对吗?找出钢球在碰到磁铁之前所受到的力,并将每个力分类。

解答 4

这名学生不正确。磁力是场力,因为即使磁铁与钢球之间仍有距离,它也能作用。

在钢球碰到磁铁之前,可能有三个力作用在它上面:

  • 地球向下施加重力。这是场力。
  • 细线沿著细线方向施加张力。这是接触力。
  • 磁铁对钢球施加朝向磁铁的磁力。这是场力。

分类取决于交互作用本身的性质,而不是之后可能发生什么。当钢球与磁铁之间仍有空隙时,钢球就已经开始加速,这直接证明磁性交互作用并不需要物理接触。

如果钢球之后碰到磁铁,它们的表面之间可能会另外产生接触力。但这不会使磁性交互作用本身变成接触力。

问题 5

一艘远离行星的太空船启动引擎数秒,然后关闭引擎。忽略远方物体造成的重力,以及与粒子发生的碰撞。

引擎关闭后,太空船继续以恒定速度向右运动。

一名学生因为太空船仍然向右移动,所以在太空船上画了一个向右的「运动力」。说明这个力是否应该出现。接著指出这个情况揭示了力与运动之间什么样的关系。

解答 5

向右的「运动力」不应该出现,因为在引擎关闭后,没有任何已辨认出的物体对太空船施加这个力。

当引擎运作时,被排出的物质与太空船发生交互作用,并产生推力。一旦这种交互作用不再产生推力,就没有理由只因为太空船仍在运动,而在力图上保留一个向前的力。

在题目给定的假设下,引擎关闭后的合力为零:

\[
\sum F = 0
\]

根据牛顿第一定律,太空船此时会保持恒定速度。它可以继续向右运动,而不需要持续存在一个向右的力。

这里的陷阱是把速度和力混为一谈。力与加速度有关,也就是与速度的改变有关。即使一个物体的速度不为零,作用在它上面的合力仍然可以为零。

这就是为什么找出每个力由哪个物体施加,不只是替力加上标签而已。这个做法能防止你为了配合看到的运动而凭空创造出不存在的力。

当你能可靠地辨认接触力和场力,并说出它们的来源之后,下一步就是把这些力合成为一个合力。这正是力图与牛顿定律直接连结的地方:交互作用告诉你有哪些力存在,而这些力的合力则告诉你物体的速度将如何改变。