六升七 物理力学启蒙课｜认识力与相互作用

六升七物理力学启蒙课｜认识力与相互作用演讲人各位同学好，我是你们的物理启蒙老师。今天咱们要开启物理世界里最贴近日常的一个分支——力学。咱们先从最熟悉的生活场景说起：大家每天都在“用力”，比如背书包、拧瓶盖、踢足球，那到底什么是物理意义上的“力”？力又藏着哪些我们看不见的小秘密呢？这节课我们会从看得见的现象入手，循序渐进地揭开力与相互作用的面纱。这节课我们会分成六个部分递进学习：首先从日常场景切入明确力的基本定义，接着探索力最核心的本质特点——相互作用，然后了解力能带来的两种变化效果，再认识身边最常见的三种力，之后完成课堂内容梳理，最后留下课后拓展任务。01课程导入：我们身边无处不在的“隐形推手”021从日常动作切入：什么是我们常说的“力”1.1具象的力：看得见的推拉捏提我上周在小区门口碰到一个小朋友，他攥着半瓶矿泉水，晃了晃又拧紧瓶盖，还试着把矿泉水瓶捏扁——这些动作其实都是“用力”的表现：推桌子是用力，拉书包带是用力，捏橡皮泥也是用力。咱们可以试着回忆一下，自己最近一次用力是什么时候？是帮妈妈拎菜，还是体育课上投篮球？这些我们下意识做出的动作，背后都对应着物理里的“力”。1.2隐藏的力：不接触也能发生的作用可能有同学会问：是不是只有手碰到物体才算用力？其实不是的。比如秋天苹果从树上掉下来，并没有谁用手推它，却还是落向地面；再比如冰箱上贴的磁铁吸铁扣，不用碰到就能粘在一起。这些没有接触就产生的“推拉”效果，同样属于物理里的力。上周我带实验室器材的时候，用塑料梳子梳头发，梳子吸起了碎纸屑，这也是看不见的力在发挥作用。1.2抛出核心问题：力真的是单方面的吗？刚才说的捏矿泉水瓶，是我们的手对瓶子用力，那瓶子会不会对手也用力？大家可以现在试着做一个小实验：把一只手放在桌面上，用另一只手轻轻拍它——拍的同时，被拍的手会不会有痛感？这就是今天我们要解开的第一个关键疑问。03力的基本定义：物体对物体的作用041从生活到物理的抽象过程1从生活到物理的抽象过程物理学家总结了大量类似拍桌子、拉橡皮筋的现象，最终给“力”下了一个严谨的定义：**力是物体对物体的作用**。这个定义里藏着两个必须满足的条件，少一个都不算真正的“力”。1.1力的两个必备条件：至少两个物体首先，力不能脱离物体单独存在，至少要有两个物体才能产生力的作用。比如你推桌子，你是一个物体，桌子是另一个物体；苹果落地，苹果是一个物体，地球是另一个物体。如果只有一个物体，比如孤零零的一个篮球，没有其他物体和它作用，就不存在力。1.2“作用”的含义：不是只有接触才算其次，两个物体之间必须有“作用”，也就是一方对另一方施加了推拉、挤压、吸引、排斥这类效果。刚才提到的磁铁吸铁钉，虽然没有碰到，但铁钉被磁铁吸引过来，就是磁铁对铁钉施加了吸引的作用；苹果落地是地球对苹果施加了吸引的作用，都符合“作用”的要求。052施力物体与受力物体的相对性2施力物体与受力物体的相对性在力的作用里，施加力的物体叫施力物体，承受力的物体叫受力物体。但这个身份不是固定的：比如你用手推桌子，你是施力物体，桌子是受力物体；但同时桌子也会对你的手施加一个反作用力，这时候桌子就变成了施力物体，你的手变成了受力物体。这就是施力和受力的相对性，也是我们接下来要讲的相互作用的基础。063小练习：找出下列场景中的施力与受力物体3小练习：找出下列场景中的施力与受力物体为了帮大家巩固概念，我们来做几个小练习：2.3.1用钢笔在纸上写字：施力物体是钢笔（或者握钢笔的手），受力物体是纸；同时纸也对钢笔施加了摩擦力，这时候纸变成施力物体，钢笔变成受力物体。2.3.2风吹动树叶：施力物体是空气（风），受力物体是树叶；树叶也对空气有阻力，反过来改变了空气的流动方向。2.3.3起重机吊起重物：施力物体是起重机的钢丝绳，受力物体是重物；重物也对钢丝绳施加了向下的拉力。071从“拍桌子疼”说起的现象观察1从“拍桌子疼”说起的现象观察刚才我们做了双手互拍的小实验，相信大家都感受到了：两只手的痛感几乎是一样的。这不是因为桌子或者另一只手“欺负”你，而是力的相互作用在起作用。我去年带学生做实验的时候，有个同学把两个气球吹起来，互相挤在一起，结果两个气球都凹进去了一块，挤得越用力，两个气球的凹陷程度就越像——这就是力的相互作用最直观的展示。1.1亲身实验：双手互拍的感受大家再试一次用力拍手掌，这次可以稍微用点力，你会发现左手拍右手的同时，右手也在“推”左手，两个力的方向是相反的，而且你用的力越大，两只手的痛感就越强。这就是相互作用力的第一个直观表现：两个物体之间的力是成对出现的。1.2生活中的相互作用实例生活里这样的例子太多了：3.1.2.1划船时，桨向后划水，桨对水施加了向后的力，同时水对桨施加了向前的力，推着船前进——这就是为什么划船的时候桨往后划，船却往前开。3.1.2.2走路时，我们的脚向后蹬地面，脚对地面施加了向后的力，地面就会给脚一个向前的力，这个力推着我们往前走。如果没有这个摩擦力的相互作用，我们就会像在冰面上一样站不稳，根本没法走路。3.1.2.3跳高时，运动员起跳前用力蹬起跳台，脚对起跳台施加了向下的力，起跳台就会给脚一个向上的力，这个力把运动员推起来，让他能跳过高杆。3.1.2.4甚至我们呼吸的时候，肺扩张让空气进入肺部，其实也是空气分子对肺壁施加了压力，同时肺壁也对空气施加了推力，把气体送出去。082相互作用力的基本特点2相互作用力的基本特点通过大量的实验和生活观察，我们可以总结出相互作用力的四个核心特点：3.2.1大小相等：两个相互作用的力，大小是完全一样的。比如你用10牛的力拉弹簧，弹簧也会用10牛的力拉你。3.2.2方向相反：两个力的方向永远是相反的。你往前推桌子，桌子往后推你；你往上提书包，书包往下拉你。3.2.3作用在两个不同的物体上：这是最容易混淆的点。比如你拉书包，你对书包的力作用在书包上，书包对你的力作用在你的手上，两个力分别在两个不同的物体上，不会同时作用在一个物体上。3.2.4同时产生，同时消失：只要有一个力出现，另一个力就同时出现；当一个力消失的时候，另一个力也会立刻消失。比如你松手放开弹簧，你对弹簧的拉力消失了，弹簧对你的拉力也会同时消失。093容易混淆的点：相互作用力与“同一个物体上的两个力”3容易混淆的点：相互作用力与“同一个物体上的两个力”很多同学会把相互作用力和平衡力搞混，这里咱们用最简单的方式区分：相互作用力是“你对我，我对你”，分别作用在两个物体上；而平衡力是“这个物体受到的两个力”，作用在同一个物体上。比如书本放在桌子上，书本的重力是地球对书本的力，桌子对书本的支持力，这两个力都作用在书本上，让书本保持静止，属于平衡力；而书本对桌子的压力和桌子对书本的支持力，是作用在书本和桌子两个物体上的，属于相互作用力。力的两种作用效果：改变运动状态与改变形状力的作用不是空泛的，它会带来两种实实在在的变化，这也是我们判断“有没有力产生”的重要依据。101改变物体的运动状态1改变物体的运动状态运动状态包括两个维度：物体运动的速度大小，和物体运动的方向。只要其中一个发生变化，就说明物体受到了力的作用。1.1运动状态的两个维度：速度大小与运动方向比如静止的足球被踢飞，足球从“不动”变成“动起来”，速度大小从0变成了有速度，这就是运动状态改变了；再比如头球攻门，运动员用头撞足球，足球本来是朝着球门飞过来的，被头一撞就改变了方向，这也是运动状态改变了。4.1.2实例分析：4.1.2.1静止的足球被踢飞：施力物体是脚，受力物体是足球，力让足球从静止变成运动，速度大小发生了变化。4.1.2.2汽车刹车：汽车本来在向前开，刹车的时候，刹车片对车轮施加了摩擦力，让汽车的速度越来越小，直到停下来，这也是速度大小的变化。1.3非接触的运动状态改变：引力的作用刚才提到的苹果落地，就是地球的引力改变了苹果的运动状态：苹果本来挂在树上静止，受到引力之后开始下落，速度越来越快，直到落到地面。还有卫星绕地球转，也是地球的引力不断改变卫星的运动方向，让它一直沿着圆形轨道运行。112改变物体的形状（形变）2改变物体的形状（形变）除了改变运动状态，力还可以让物体的形状发生变化，也就是我们常说的“形变”。比如捏橡皮泥的时候，橡皮泥的形状会被我们改变；拉橡皮筋的时候，橡皮筋会被拉长。2.1弹性形变与塑性形变的区别形变可以分成两种：4.2.1.1弹性形变：形变之后物体能恢复原状。比如拉橡皮筋，松手之后橡皮筋会变回原来的长度；跳板被跳水运动员压弯，运动员跳起来之后，跳板会重新变直。4.2.1.2塑性形变：形变之后物体不能恢复原状。比如捏橡皮泥，捏成小熊之后就不会自己变回原来的团状；弯折铁丝，弯过之后铁丝就保持了弯折的形状。2.2生活中的形变实例我们身边的形变无处不在：比如我们坐在沙发上，沙发会被我们压凹下去，这就是弹性形变，我们站起来之后沙发会恢复原状；比如用手捏矿泉水瓶，瓶子会被捏扁，这就是塑性形变，除非你把瓶子掰回来，否则不会恢复；比如篮球充气之后变圆，就是空气的弹力让篮球保持形状。2.3微小形变的观察很多形变我们肉眼看不到，比如桌面被书本压的时候，其实也发生了微小的弹性形变。上次我去科技馆，看到一个实验：把一面小镜子放在桌面上，用激光笔把光反射到墙上，当我们用手压桌面的时候，墙上的光斑会移动——这就是因为桌面发生了微小形变，带动镜子倾斜，改变了激光的反射角度。这个实验让我当时特别惊讶，原来我们以为很硬的桌面，也会发生形变。12我们身边最常见的三种力我们身边最常见的三种力了解了力的基本概念和特点之后，我们来认识一下生活里最常见的三种力，它们几乎每天都在我们身边发挥作用。131重力：地球的“吸引力”1.1重力的定义与方向重力是地球对物体的吸引力，我们每个人都时刻受到重力的作用。重力的方向总是竖直向下的，也就是指向地心的方向——不管你站在地球的哪个位置，“向下”都是朝着地心的。比如我们挂东西的时候用的重垂线，就是利用了重力的方向总是竖直向下的原理，用来检查墙面是否垂直。1.2重力的生活应用比如我们用天平称量物体的质量，其实就是利用重力让物体对天平施加压力，从而测出质量；比如运动员跳远的时候，跳起来之后总会落回地面，就是重力的作用；比如我们倒水的时候，水会顺着杯子流下来，也是因为重力的方向是向下的。1.3重力与质量的简单关系重力的大小和物体的质量有关，质量越大的物体，受到的重力就越大。比如一个50公斤的同学，受到的重力大概是500牛（牛是力的单位，咱们今天不用细究具体数值，只要知道质量越大，重力越大就可以）。如果我们到月球上，因为月球的引力比地球小，同一个物体的重力就会变成地球上的六分之一，这也是为什么宇航员在月球上可以轻松跳很高的原因。142弹力：形变产生的“反抗力”2.1弹力的产生条件：接触且发生弹性形变当物体发生弹性形变的时候，会产生一个反抗形变的力，这就是弹力。比如拉橡皮筋的时候，橡皮筋被拉长，想要恢复原状，就会对我们的手施加一个拉力，这个拉力就是弹力。弹力的产生需要两个条件：一是两个物体互相接触，二是其中一个物体发生了弹性形变。2.2常见的弹力：拉力、支持力、压力我们身边的弹力随处可见：比如我们拉弹簧的时候，弹簧对我们的拉力就是弹力；比如我们把书本放在桌子上，书本对桌子施加了压力，桌子发生了微小的弹性形变，就会对书本施加一个向上的支持力，这个支持力也是弹力；比如我们坐在椅子上，椅子对我们的臀部施加的支持力，也是弹力。2.3弹簧测力计的原理实验室里用来测力的工具叫弹簧测力计，它的原理就是弹性形变越大，产生的弹力就越大。比如我们拉弹簧，拉得越长，弹簧对我们的拉力就越大，这就是弹簧测力计的工作基础。153摩擦力：阻碍相对运动的力3.1摩擦力的产生条件当两个互相接触的物体，有相对运动或者有相对运动的趋势的时候，在接触面上会产生一种阻碍相对运动的力，这就是摩擦力。摩擦力的产生需要三个条件：一是两个物体互相接触，二是接触面是粗糙的，三是物体之间有相对运动或者相对运动的趋势。3.2有益摩擦与有害摩擦摩擦力既有好处，也有坏处：5.3.2.1有益摩擦：比如鞋底的花纹，就是为了增大摩擦力，让我们走路的时候不容易滑倒；比如汽车轮胎的花纹，也是为了增大摩擦力，让汽车在路面上行驶的时候不会打滑；比如我们用铅笔写字的时候，铅笔和纸之间的摩擦力，让铅笔能留下字迹。5.3.2.2有害摩擦：比如机器零件之间的摩擦，会让零件磨损，降低机器的使用寿命，所以我们会给机器加润滑油，让接触面变光滑，减小摩擦力；比如推桌子的时候，桌子和地面之间的摩擦力会阻碍我们推动桌子，这就是有害摩擦。3.3生活中的摩擦力实例比如我们走路的时候，脚和地面之间的摩擦力让我们能站稳；比如刹车的时候，汽车的刹车片和车轮之间的摩擦力，让汽车停下来；比如我们用筷子夹菜的时候，筷子和菜之间的摩擦力，让菜不会从筷子上滑下来。16课堂小结与拓展延伸171本节课核心内容回顾1本节课核心内容回顾0504020301不知不觉我们已经聊完了本节课的所有内容，现在我们一起来梳理一下核心知识点：6.1.1力的定义：力是物体对物体的作用，至少需要两个物体才能产生力的作用。6.1.2力的核心特点：力的作用是相互的，两个相互作用的力大小相等、方向相反、作用在两个不同的物体上，同时产生同时消失。6.1.3力的两种作用效果：改变物体的运动状态（速度大小或运动方向），改变物体的形状（形变）。6.1.4常见的三种力：重力（地球的吸引力）、弹力（弹性形变产生的反抗力）、摩擦力（阻碍相对运动的力）。182课后小任务：观察生活中的相互作用现象2课后小任务：观察生活中的相互作用现象为了帮大家巩固本节课的知识，我给大家留一个课后小任务：6.2.1观察至少3个生活中的力的相互作用场景，比如开门的时候，手对门施力，门对手也有反作用力；比如跳绳的时候，手对绳子施力，绳子对