# 常见力的类型

> CIE A-Level 物理学 · 第4单元：力、密度与压强
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u4-common-force-types/

本小节涵盖CIE A-Level 9702物理考试中考察的所有常见接触力和非接触力，包括如何识别每种力、计算其大小，以及在力学习题中应用它们。

**先修:** [力与牛顿定律导论](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u4-introduction-to-forces/)

## 学习目标

- 在A-Level题目中识别并描述常见的接触力和非接触力
- 计算重力、支持力、张力、摩擦力、阻力和浮力的大小
- 在受力图中为每种常见力正确标注方向
- 分析不同类型的力时避开常见的考试错误

## 非接触力类型

**非接触力** — 无需物理接触即可作用在物体上的力，由力场之间的相互作用产生

*例:* 地球和卫星之间无需接触就存在引力作用

A-Level中最常见的非接触力是重力，即作用在物体质量上的引力。你会遇到的其他非接触力还有电场力（带电物体之间）和磁场力（磁性材料/运动电荷之间）。

重力始终用公式$W = mg$计算，其中$m$是质量，$g$是重力加速度。

**例题:** 计算地球表面上一个12 kg均匀木块的重力，其中$g = 9.81 \text{ m s}^{-2}$

1. 回忆重力公式：
2. $$W = m g$$
3. 代入给定数值得到最终答案：
4. $$W = 12 \times 9.81 = 117.72 \approx 118 \text{ N (3 s.f.)}$$

> **考试提示:** 始终使用试卷中给出的g值，不要未经检查就默认是9.81

## 接触力：支持力与张力

**接触力** — 由两个物体之间的物理接触产生的力

*例:* 桌子对放在上面的书施加接触法向力

支持力是接触面作用在接触物体上的力。它的方向始终**垂直于接触面**，指向接触面外侧。

张力是被拉伸的弦、绳或杆对连接物体施加的拉力。它始终沿弦的方向作用，拉力方向背离物体。

**例题:** 一个5 kg的重物静止悬挂在不可伸长的竖直绳上，计算绳中的张力。

1. 重物静止，因此竖直方向合力为零。向上的张力平衡向下的重力：
2. $$T - W = 0 \implies T = W$$
3. 计算重力，代入得到张力：
4. $$W = mg = 5 \times 9.81 = 49.05 \\ T = 49.1 \text{ N (3 s.f.)}$$

## 接触力：摩擦力与阻力

**摩擦力** — 阻碍接触的两个固体表面之间相对运动的接触力

*例:* 静摩擦力阻止箱子从斜面上滑下

静摩擦力的作用是阻碍运动，其最大值为$f_{\text{max}} = \mu_s N$，其中$\mu_s$是静摩擦系数，$N$是支持力。动摩擦力作用在运动的物体上，公式为$f_k = \mu_k N$。

阻力（物体在空气中运动时的空气阻力）是阻碍物体在流体中运动的流体摩擦力。其大小随物体速度增大而增加，方向始终与物体相对于流体的运动方向相反。

**例题:** 一个3 kg的木块静止在水平面上，静摩擦系数为0.4，计算木块滑动前的最大静摩擦力。

1. 对于没有额外竖直力的水平面，支持力等于重力：
2. $$N = mg = 3 \times 9.81 = 29.43 \text{ N}$$
3. 使用最大静摩擦力公式：
4. $$f_{\text{max}} = \mu_s N = 0.4 \times 29.43 = 11.772 \approx 11.8 \text{ N (3 s.f.)}$$

> **考试提示:** 摩擦力始终平行于接触面，绝不会垂直于接触面

## 浮力（浮升力）

**浮力** — 流体对浸入或漂浮物体施加的浮性接触力，方向竖直向上

*记法:* U

*例:* 浮力使船能漂浮在水面上

根据阿基米德原理，浮力的大小等于物体排开流体的重力。公式为$U = \rho_{\text{fluid}} V_{\text{displaced}} g$，其中$\rho$是流体密度，$V$是排开流体的体积。

**例题:** 一个体积为$0.002 \text{ m}^3$的实心立方体完全浸没在密度为$1000 \text{ kg m}^{-3}$的水中，计算立方体受到的浮力。

1. 对于完全浸没的物体，排开流体的体积等于物体的总体积，使用浮力公式：
2. $$U = \rho V g$$
3. 代入数值计算结果：
4. $$U = 1000 \times 0.002 \times 9.81 = 19.62 \approx 19.6 \text{ N (3 s.f.)}$$

## 常见错误

- **错误做法:** 默认支持力始终等于物体的重力
  - 原因: 这仅适用于没有其他竖直力作用的水平面
  - 正确做法: 始终通过对特定情况的竖直力求和来计算支持力
- **错误做法:** 将张力画成推力而非拉力
  - 原因: 张力始终是沿绳的拉力；理想绳不能产生推力
  - 正确做法: 所有张力矢量都沿绳方向背离物体画出
- **错误做法:** 始终将阻力画成竖直向下
  - 原因: 阻力方向取决于运动方向，而非竖直位置
  - 正确做法: 阻力方向始终与物体相对于流体的速度方向相反
- **错误做法:** 绘制空气中物体的受力图时忘记加上重力
  - 原因: 重力是非接触力，无论是否接触，都会作用在地球表面附近的所有物体上
  - 正确做法: 在每张受力图中都先把重力画上
- **错误做法:** 计算漂浮物体的浮力时使用物体的总体积
  - 原因: 只有物体浸没在水中的部分才会排开流体
  - 正确做法: 计算$V_{\text{displaced}}$时仅使用物体浸没部分的体积

## 速查表

| 力的类型 | 类别 | 核心公式 | 方向 |
| --- | --- | --- | --- |
| 重力 | 非接触 | $W = mg$ | 竖直向下 |
| 支持力 | 接触 | 由力的平衡求得 | 垂直于接触面指向外 |
| 张力 | 接触 | 由力的平衡求得 | 沿绳方向背离物体 |
| 最大静摩擦力 | 接触 | $f_{\text{max}} = \mu_s N$ | 沿接触面阻碍相对运动 |
| 动摩擦力 | 接触 | $f_k = \mu_k N$ | 沿接触面阻碍相对运动 |
| 阻力 | 接触 | 随速度增大而增加 | 阻碍物体相对于流体的运动 |
| 浮力 | 接触 | $U = \rho V_{\text{displaced}} g$ | 竖直向上 |

## 下一步

掌握常见力的类型是CIE A-Level物理所有力学内容的基础技能。当你能正确识别、计算每种力并标注方向后，你就能绘制准确的受力图来解决任何力学习题。本主题直接连接本单元和后续单元的平衡、抛体运动、圆周运动以及密度压强问题。扎实掌握这里的内容可以避免更复杂主题中许多常见的考试错误。

- [力的平衡](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u4-force-equilibrium/)
- [力矩与力偶矩](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u4-moment-and-torque/)
- [密度](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u4-density/)

---

来自 [OwlsPrep](https://www.owlsprep.com) —— A-Level / IB / AP / IGCSE 免费学习指南，依据官方考纲编写。原页面：https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9702-u4-common-force-types/