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合力與加速度:受力分析怎樣不漏方向

受力分析先處理「哪些力作用在這個物體」,再處理「物體怎樣運動」。把速度方向直接當成合力方向,是許多錯誤的起點。

藍色小車受一長一短、方向相反的水平箭頭作用
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一圖掌握

合力與加速度:先記住這四步

先用流程圖整理思路,再閱讀下方的例子、易錯位和自測。圖解是方法提示,不代替完整推導。

合力與加速度四步解題流程;完整文字步驟見圖下方。
把讀題、選方法、計算和覆核連成一個可重複使用的流程。 開啟清晰圖片
文字版流程・方便隨時重溫
  1. 選定研究物體,約定正方向;只列作用在它身上的外力。
  2. 畫受力圖,把不同物體的力和速度方向分開處理。
  3. 沿同一方向把外力按正負號相加,得到合外力。
  4. 以合外力除以質量求加速度,檢查方向及單位;合力為零不代表速度為零。

只研究一個物體,先列外力

把研究對象想成與周圍分開的小車,只保留外界對它施加的力。水平地面上的車通常受到向下的重力、地面向上的支持力,以及水平方向的推力、拉力或阻力。每個力都要有來源、方向和大小;「車向右移動」是運動描述,不是一個額外的力。

本篇採用質量不變、可用牛頓力學描述的情況。在選定方向上,合外力 Fnet = ma,其中質量 m 的單位是 kg、加速度 a 是 m/s2,力是 N。1 N = 1 kg·m/s2。先把力作有方向的相加,再除以質量。

原創例題:兩個水平力,不能只取推力

一輛質量 4.0 kg 的小車正在水平路面向右移動。向右推力為 12 N,向左阻力為 2.0 N;兩者在所討論的短時間內保持不變。取向右為正,求水平加速度。

  1. 列出水平合力:Fnet = +12 − 2.0 = +10 N。
  2. 使用第二定律:a = Fnet/m = 10/4.0 = 2.5 m/s2。
  3. 正號表示加速度向右。此時速度亦向右,所以小車的速率增加。

若只算 12/4.0 = 3.0,便把阻力漏掉了。若把 12 + 2.0 相加,則是把兩個相反方向的力當作同向。寫清正方向,比憑印象決定加減可靠。

垂直方向平衡,不代表所有力都不存在

若小車沒有垂直加速度,且只有重力及支持力這兩個垂直力,兩者大小相等。本例取 g = 10 m/s2,重力 mg = 4.0 × 10 = 40 N,支持力亦為 40 N。垂直合力為零,但兩個力仍然存在。

「支持力等於重量」不是所有情況通用的定律。若另有向上的拉力、斜面或垂直加速度,便要重新列垂直方向的方程。先用受力和加速度推導,不能把結論當成固定設定。

常見錯誤:零合力與作用反作用力

零合力表示加速度為零;物體可能靜止,也可能以不變速度沿直線運動。相反,物體向右移動時,若合力向左,它會在仍向右的這段時間減速。因此合力決定速度如何改變,不直接決定當下速度指向哪邊。

地面對小車的支持力與小車對地面的力,是一對作用反作用力,分別作用在不同物體,不能放進同一個小車受力圖互相抵消。小車的重力與支持力雖然在本例等大反向,卻不是一對作用反作用力:兩者都作用在小車上。

自測:合力和加速度都要有方向

另一輛 5.0 kg 小車受到向右 8.0 N 及向左 5.0 N 的水平力。求合力與加速度;單靠這些資料能否判斷它當下向哪邊移動?

展開答案與步驟

取向右為正,合力 = 8.0 − 5.0 = 3.0 N,方向向右;a = 3.0/5.0 = 0.60 m/s2,方向向右。不能只靠合力知道當下速度方向,它可能正在向右、向左,或在那一刻靜止。

下一步練習

先做水平受力題,每次都寫「研究對象、正方向、合力方程」。再加上斜向拉力,練習把力分成分量;最後接上運動題,分清求出的加速度與題目給定的初速度,各自負責甚麼資訊。