物理基礎/力和運動 - I

在本節中，我們將使用牛頓定律來了解加速度實際上來自於作用於物體的力。在關於一維和二維運動的章節中，$a$ 僅僅是給定量。它只是存在於運動方程中，你被允許給它任何值。在本節中，我們將看到加速度來自於力。力是作用於物體上的推力或拉力，你每天都會見證（推開門以開啟它，拉書以提起它，按下手機按鈕以點選它）。除了重力外，力總是“接觸力”，這意味著力必須實際接觸物體才能對其施加影響。力也需要一個媒介，這意味著你應該始終能夠識別是什麼（媒介）產生了力。力也是向量，這意味著它們的強度（推力或拉力）可以朝任何方向。力的 SI 單位恰當地命名為牛頓，用符號表示為N.

牛頓定律

你可能知道牛頓定律說 $F=ma$，但這並不總是物理課程中最有用的方程。 $a={\frac {F}{m}}$ 更好，但仍然不夠準確。更準確地說，$a={\frac {\Sigma F}{m}}$，但這仍然不完全正確。最好的版本是 ${\vec {a}}={\frac {\Sigma {\vec {F}}}{m}}$，強調了力的向量特性。確保你完全理解了這個最後版本的含義以及如何使用它。 ${\vec {a}}$ 是加速度，$m$ 是物體的質量，$\Sigma {\vec {F}}$ 是作用於物體的所有力的總和。

力的型別

我們只關注（在本節中）三種力：重量，張力和正壓力。

重量

重量是 $w=mg$，其中 $m$ 是物體的質量，$g$ 是地球的重力加速度，為 $9.8$ m/s²。物體的重量 $W$ 等於作用於物體上的重力的幅度 $F_{g}$。不要混淆質量和重量；它們不是同一個東西，確保你瞭解它們之間的區別。質量也被稱為物體的慣性，或抵抗改變其當前運動狀態的傾向。質量為 80 kg 的人，在地球上的質量為 80 kg，在木星上的質量也為 80 kg。但是，由於木星上的重力幅度更大，該人的重量在木星上要大得多。

張力

如果一根繩索系在一個物體上，然後繩索被拉緊，物體所感受到的力稱為張力。張力向量與運動向量方向相同，這意味著張力只在物體被拉動時才會出現，絕不會在被推開時出現。

正壓力

法向力是指物體放置在表面上時所受到的力，它始終垂直於表面，並不總是等於$mg$.

關鍵點

本章的核心是$\Sigma {\vec {F}}$，因為它需要三個困難步驟。首先，大多數學生難以識別作用在物體上的所有力。其次，正確地繪製這些力，每個力都指向它們作用在物體上的正確方向（對大多數學生來說更難）。第三，要認識到$\Sigma {\vec {F}}$ 只有在你將其分解成分量形式時才能使用，也就是$\Sigma F_{x}$ 和$\Sigma F_{y}$。本週的計算公式是$a_{x}=\Sigma F_{x}/m$ 和$a_{y}=\Sigma F_{y}/m$。

與運動學（物體的觀測運動）的聯絡

與關於一維和二維運動的章節的連線點是，這些由力產生的加速度，與用於$x$ 和$y$ 運動方程中的相同a。因此，$x=x_{0}+v_{0}\Delta t+\Sigma F_{x}\Delta t^{2}/(2m)$ 和$v_{x}=v_{0x}+\Sigma F_{x}\Delta t/m$。確保你理解這些公式，不要草率地閱讀$\Sigma F_{x}$ 和$\Sigma F_{y}$。瞭解它們的意思：使用牛頓定律是找到作用在物體上的加速度的一種方法，這實際上意味著作用在物體上的所有力都需要分解成它們的$x$ 和$y$ 分量，並使用正確的符號（+ 或 -），然後沿著給定軸加在一起，從而找到 a_x 和 a_y。