知識導圖——關于“力”的那些事兒

這本書介紹了12個趣味游戲，這些游戲有的看起來簡單，但操作時需要格外的細心和反復的實驗；有的看起來非常炫酷，甚至還有點神秘色彩，但其實操作起來非常容易。無論簡單還是復雜，這些游戲背后都隱藏著共同的神秘力量——“力”。

我們希望，同學們能夠從這些游戲中受到啟發，在面對生活、學習中的各種困難時，學會如何分析問題，用全新的眼光去看待周圍的事物和現象，用科學的態度和方法去尋求解決方案。

力，是生活中常見的現象；力學，是物理學中的一個重要分支。即使同學們還沒有學習過任何物理知識，也可以從本書介紹的日?，F象和圖片中明白問題的本質。書中，我們會給大家介紹一些可愛的小伙伴——小智哥哥、小玥妹妹、美猴王、小牙簽、蛋仔三兄弟等。他們會遇到各種難題，讓我們跟隨他們一起，思考解決問題的方法，開始這段關于科學、物理的奇妙探索吧。

為了方便同學們理解游戲中的物理學知識，我們先把這些知識和相關的日?，F象集中在這張知識導圖里，讓大家可以系統地了解本書知識點的全貌，并且有初步的印象。后面在每個游戲中，我們都會有更詳細生動的介紹。

1.從“力”開始

（1）力是什么

力是物體間的相互作用，這種作用的結果會使物體發生變化——要么是運動狀態改變，要么是物體形狀變化。

（2）力的單位

衡量力大小的單位是牛頓（N），就是那位著名的大科學家的名字。

直觀一點，1牛頓約相當于2個雞蛋受到的重力，如圖0-1所示。所以記住，在物理學中提起“1?！笨刹皇且活^牛的力氣哦。

（3）力的三要素

大小、方向、作用點是力的三要素。那怎樣簡單地表示力呢？在文中，我們一般會用一條帶箭頭的線段來表示力。比如，圖0-2中的黑色箭頭就表示蛋仔受到的力，而箭頭所指的方向，就是力的方向。

2.力的平衡與穩定

（1）生活中的力的平衡

雖然在物理學中，勻速直線運動也屬于平衡態，本書中的平衡一般指物體與地面保持相對靜止的狀態。

以雞蛋為例，它通?？梢造o止地躺在桌子上，在很小心地擺放的情況下，可以實現直立平衡。不過如果在空蛋殼里加些重物，把它變成一個不倒翁，讓它躺倒就很困難了，如圖0-3所示。

當我們將一張紙幣折疊后以一定的角度立于桌面，就可以在折疊處輕松地放上一枚硬幣，如圖0-4所示。但是如果此時你將紙幣慢慢拉成平展的狀態，要想讓硬幣繼續待在那個位置，可就需要技巧了。

（2）平衡與穩定的關系

這兩個例子中，雞蛋和硬幣都能平衡，但是有的容易實現，有的很難實現，原因與它們的穩定性有關。

穩定可以理解為，如果受到很小的干擾，物體還能在原平衡位置附近達到平衡，或只做小幅度運動。不穩定，就是很小的干擾也會使物體遠離原來的平衡位置。

想象一下，如果酒杯沒有底座，如圖0-5所示，它能立在桌面上嗎？

小玥妹妹如果非要在公共汽車上練芭蕾，用腳尖站立，如圖0-6所示，她能站穩嗎？

答案很明顯，酒杯不能立在桌面上，小玥妹妹也站不穩！你有沒有發現，前面沒底座的酒杯和單腿用腳尖站立的小玥妹妹，共同點是與桌面和地面的接觸面積都很小。由此可見，物體的穩定與底部的面積有很大的關系。

方法總結

如果平衡是穩定的，很容易實現；如果平衡是不穩定的，就需要特別的技巧才能實現。

3.彈力

所謂“彈性形變”指的是物體在外力作用下發生形狀變化，當外力撤銷時，又恢復原狀的特性。物體發生彈性形變后，由于要恢復原形，會對跟它接觸的物體施加力的作用，這個力就是“彈力”。比如，跳板跳水運動員腳下的那塊“跳板”就具有彈性，起跳時借助它產生的彈力，可以讓運動員高高地躍向空中，如圖0-7所示。

彈力的大小和跟物體的形狀變化有關系：在彈性限度內，形狀變化越大，彈力也越大；形狀變化消失，彈力就隨著消失。利用這個特點，人們發明了“彈簧秤”。在本書中，我們會根據這個知識點，利用橡皮筋自制彈簧測力計，如圖0-8所示。

注意

產生彈力的物體還受到“彈性限度”的制約。

物體的形狀變化超過一定限度時，撤去作用力后，物體就不能完全恢復原來的形狀，這個限度叫作彈性限度。例如在彎折竹竿時，如果用了很大的力氣，竹竿就會被折斷，如圖0-9所示。所以做實驗時，大家一定要注意了解實驗材料的彈性限度。

4.重力、重量與質量

（1）牛頓的蘋果與重力

先來看這個著名的蘋果，如圖0-10所示。傳說中砸在牛頓頭上、讓他發現了“萬有引力”的蘋果。

蘋果向下落是因為它受到地球的吸引，如圖0-11所示。

我們通常把由于地球對物體的吸引而產生的力稱為重力。一般情況下，重量可以理解為重力的大小。在生活中，人們經常把重力和重量的概念混著使用，重量既可以表示物體受到的重力，也可以表示重力的大小。

（2）質量與重量

質量則表示物體所含物質的量。

質量與重量這兩個概念既有聯系，又有區別。質量是物體的固有屬性，而重量則是物體外在的表現形式。物體的質量在不同的地方都是一樣的，而重量則不同。比如，在地面上很重、搬不動的物體，到了太空中，由于失重導致它根本就沒有重量，會飄浮在空中。但是這同一個物體，質量并沒有改變。同樣，如圖0-12所示，人在太空中也會飄浮起來，質量并沒有變化啊！

（3）質心和重心

本書中的游戲都是在地面附近做的，這時重量與質量的比值是一個固定數值“g”。

物體質量的中心叫作質心，物體所受重力的等效作用點叫作重心。在地球表面附近，物體的重心和質心是重合的。

大家可以想象，如果一個物體形狀規則、密度均勻，比如一個實心球，它的重心一定就在球的正中心，如圖0-13所示。

但是形狀不規則的物體呢？比如一個人的重心在哪里？后面我們會在游戲里教給大家找重心的好辦法。

此外，重心對于穩定也有很重要的影響。我們常說，重心低更穩，重心高不穩，如圖0-14所示，背后又有什么道理呢？

5.摩擦力與摩擦角

（1）摩擦力

當你開始輕輕推一個物體時，物體不會動，這是由于物體受到摩擦力，稱為靜摩擦力。當你慢慢加大推力，推力大到一定量時，就可以推動物體了，說明你的推力大于最大的靜摩擦力，如圖0-15所示。

（2）摩擦力的3種類型

如圖0-16所示，3個順著斜坡下來的木箱和木桶，分別受到3種不同類型的摩擦力。

如果你也想坐在木板上沿著斜面下滑，你會發現：如果斜面角度大，就可以輕松滑下來；如果斜面角度小，就很可能滑得很慢甚至停在斜面上，如圖0-17所示。就像我們在游樂場里，那些看起來很陡的滑梯，總是很嚇人，也很刺激！

這就涉及了神秘的“摩擦角”。不同物體之間的摩擦角不同，光滑的玻璃摩擦角很小，粗糙的皮革摩擦角就很大。不過，一般物體摩擦角不會超過45°。后面的游戲中，我們會給大家詳細介紹摩擦角和它在生活中帶來的各種現象。

6.碰撞

生活中，如果小朋友很乖，爸爸媽媽會溫柔地接觸他，這叫“撫摸”；如果小朋友調皮搗蛋，爸爸可能重重地接觸他，我們就會說這個小朋友“挨打”了。而對于沒有生命的物體，我們不用撫摸、挨打這類詞語，而是用“接觸”和“碰撞”。

碰撞是一種接觸，碰撞接觸的時間越長，碰撞的作用力就越小；接觸的時間越短，碰撞的作用力就越大。在生活中這樣的例子很多，如圖0-18所示，你用拳頭擊打泡沫墻，泡沫會產生較大的變形，而變形是需要時間的，這就增加了手與墻面的接觸時間，手不會感到疼痛；而如果用同樣的力氣擊打磚墻，墻面基本上沒有變形，手與墻面的接觸時間短，手會感到疼痛。

利用碰撞時的變形帶來的影響，我們可以設計一些小裝置，來減小碰撞時產生的破壞性效果。在游戲6中，你將會學習如何利用這個科學原理，保護一枚雞蛋從高處安全著陸。

7.能量與做功

當我們辛苦地搬運重物時，在物理學中就稱為“做功”?！肮Α笔侵噶εc移動距離的乘積。比如，圖0-19中辛苦把雞蛋搬上樓的小玥妹妹就正在做功。這里涉及的力就是一箱雞蛋的重力，而距離則是從1樓到目的地的距離。通過做功她可以把這箱雞蛋搬到高處，但做功是要消耗身體內的化學能量，而脂肪燃燒剩下的廢料，會讓她第二天腰酸背痛。

物體由于運動而具有的能量稱為“動能”。物體受到重力且被舉起一定的高度而具有的能量稱為“重力勢能”，簡稱為“勢能”。動能很容易理解，動起來才具有能量，而勢能就有點抽象了。大家可以想想成語“勢如破竹”，這是一種物體所蘊含的與高度相關的能量。日常生活中所說的“搬起石頭砸自己的腳”“落井下石”“爬得高、跌得重”都是在描述這種現象。

剛才小玥妹妹辛苦搬上樓的雞蛋，也就具有了勢能，如果從30米高的10樓樓頂上掉下去，如圖0-20所示，它的勢能又會轉化為動能，讓雞蛋在落地時達到約24米/秒的速度，比人類百米短跑世界冠軍的速度還要快1倍。這就是動能和勢能的相互轉化。