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历史地回顾,人类在生活环境中通过感受而认知的,首先是宏观物体在相互接触中出现的某些力,例如,手对小车施加的推力和拉力、两个运动物体间的碰撞力、提升重物时绳对重物的向上拉力等,这些力都属于接触力.物体对地面的正压力、地面对物体的支持力、物体间有相对运动时接触面中出现的摩擦力、弹性物体因形变而生的张力、水中物体所受浮力等也都是接触力.宏观世界另一类力是物体没有与其他物体接触而会受到的力,称为非接触力,例如重力、电磁力.对非接触力的认知是人类科学思维进步一个重要标志,尤其是牛顿将地面上的重力和天上月球受地球的向心拉力,统一为普适的万有引力,从此人类认知了自然界基本相互作用的存在.其后,法拉第、麦克斯韦和赫兹等物理学家,又在电作用研究工作中揭示了场物质的存在,非接触力中直观方面表现出的超距性即被消除,非接触力实质上又还原为近距作用意义下的接触力.
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经典力学中仍将常见力分为接触力与非接触力两类.宏观物体之间的接触力其实是接触部位分子间电作用力的表现,接触是指宏观上的接触,宏观接触各部位分子间仍有间隙,只是这些间隙与宏观线度相比小到可以略去.非接触力中的万有引力和电作用力已在前文述及,重力是地球万有引力的表现,时时感受,故列于常见力之先.
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●重力
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重力即为地球万有引力,方向指向地球中心.据(2.10)式,地球表面上方h处质量为m的物体,所受重力大小为
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其中M和R分别为地球质量和半径.物体所得竖直向下加速度,即重力加速度,记为gh,有
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h=0对应的地面重力加速度为
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地球并非理想球体,赤道处距地球中心稍远,两极处距地球中心稍近,实际测量值各为
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g(赤道)=9.780m/s2, g(两极)=9.832m/s2,
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各处g常近似取为
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地面上方不太高处,h≪R,重力均可近似为竖直向下的常力,大小取为mg.
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●弹性力
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某些物体会因形变而产生回复力,称为弹性力,物体称为弹性体.只讨论弹性体因拉伸或压缩形变产生的弹性力,弹性体无形变时的长度称为自由长度,记为L.沿弹性体长度方向设置x轴,x方向形变量记为x,形成的x方向弹性力记为Fx.x>0是伸长形变,对应Fx<0;x<0是压缩形变,对应Fx>0.实验发现,多数弹性体在│x│与L相比较小时,有
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这就是胡克定律.式中k称为劲度系数,是由弹性体结构确定的常量.
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放在水平桌面或斜面上的物体对水平面或斜面的正压力和水平面或斜面对物体的支持力也都是弹性力,只是形变量很小,常被略去.正压力和支持力是一对作用力与反作用力.
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直杆内很小的形变量即可产生有宏观效应的弹性力,形变可略,直杆又在形式上处理成刚体.
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绳被拉伸时,很小的伸长量也会产生拉力,常称为绳中的张力,伸长量也可略去.一般的装置中,绳不会因受压缩短产生推力.
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●摩擦力
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两个物体接触面间有相对滑动趋势或已有相对滑动时,接触面上会产生的阻碍相对滑动趋势或阻碍相对滑动的力称为摩擦力,前者称为静摩擦力,后者称为滑动摩擦力.
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