物理基础/力和运动 - I

在本节中，我们将使用牛顿定律来了解加速度实际上来自于作用于物体的力。在关于一维和二维运动的章节中，$a$ 仅仅是给定量。它只是存在于运动方程中，你被允许给它任何值。在本节中，我们将看到加速度来自于力。力是作用于物体上的推力或拉力，你每天都会见证（推开门以打开它，拉书以提起它，按下手机按钮以点击它）。除了重力外，力总是“接触力”，这意味着力必须实际接触物体才能对其施加影响。力也需要一个媒介，这意味着你应该始终能够识别是什么（媒介）产生了力。力也是向量，这意味着它们的强度（推力或拉力）可以朝任何方向。力的 SI 单位恰当地命名为牛顿，用符号表示为N.

牛顿定律

你可能知道牛顿定律说 $F=ma$，但这并不总是物理课程中最有用的方程。 $a={\frac {F}{m}}$ 更好，但仍然不够准确。更准确地说，$a={\frac {\Sigma F}{m}}$，但这仍然不完全正确。最好的版本是 ${\vec {a}}={\frac {\Sigma {\vec {F}}}{m}}$，强调了力的向量特性。确保你完全理解了这个最后版本的含义以及如何使用它。 ${\vec {a}}$ 是加速度，$m$ 是物体的质量，$\Sigma {\vec {F}}$ 是作用于物体的所有力的总和。

力的类型

我们只关注（在本节中）三种力：重量，张力和正压力。

重量

重量是 $w=mg$，其中 $m$ 是物体的质量，$g$ 是地球的重力加速度，为 $9.8$ m/s²。物体的重量 $W$ 等于作用于物体上的重力的幅度 $F_{g}$。不要混淆质量和重量；它们不是同一个东西，确保你了解它们之间的区别。质量也被称为物体的惯性，或抵抗改变其当前运动状态的倾向。质量为 80 kg 的人，在地球上的质量为 80 kg，在木星上的质量也为 80 kg。但是，由于木星上的重力幅度更大，该人的重量在木星上要大得多。

张力

如果一根绳索系在一个物体上，然后绳索被拉紧，物体所感受到的力称为张力。张力向量与运动向量方向相同，这意味着张力只在物体被拉动时才会出现，绝不会在被推开时出现。

正压力

法向力是指物体放置在表面上时所受到的力，它始终垂直于表面，并不总是等于$mg$.

关键点

本章的核心是$\Sigma {\vec {F}}$，因为它需要三个困难步骤。首先，大多数学生难以识别作用在物体上的所有力。其次，正确地绘制这些力，每个力都指向它们作用在物体上的正确方向（对大多数学生来说更难）。第三，要认识到$\Sigma {\vec {F}}$ 只有在你将其分解成分量形式时才能使用，也就是$\Sigma F_{x}$ 和$\Sigma F_{y}$。本周的计算公式是$a_{x}=\Sigma F_{x}/m$ 和$a_{y}=\Sigma F_{y}/m$。

与运动学（物体的观测运动）的联系

与关于一维和二维运动的章节的连接点是，这些由力产生的加速度，与用于$x$ 和$y$ 运动方程中的相同a。因此，$x=x_{0}+v_{0}\Delta t+\Sigma F_{x}\Delta t^{2}/(2m)$ 和$v_{x}=v_{0x}+\Sigma F_{x}\Delta t/m$。确保你理解这些公式，不要草率地阅读$\Sigma F_{x}$ 和$\Sigma F_{y}$。了解它们的意思：使用牛顿定律是找到作用在物体上的加速度的一种方法，这实际上意味着作用在物体上的所有力都需要分解成它们的$x$ 和$y$ 分量，并使用正确的符号（+ 或 -），然后沿着给定轴加在一起，从而找到 a_x 和 a_y。