在高中物理中,理解内力外力及其关系是分析力学问题的关键,尤其在处理多个物体组成的系统时(如连接体、碰撞、爆炸、人船模型等)。它们的关系可以总结如下:

1. 定义:

内力: 系统内部各个物体之间相互作用的力。比如,系统内物体A对物体B的作用力,以及物体B对物体A的反作用力(根据牛顿第三定律),都是系统的内力。内力总是成对出现。

外力: 系统外部的物体对系统内部物体的作用力。比如,重力、摩擦力(来自系统外)、推力、拉力(来自系统外)等作用在系统内某个物体上的力。

2. 核心关系:系统决定一切

同一个力,在不同系统划分下,既可以视为内力,也可以视为外力。 这是理解的关键!

例子: 地面上两个人互相推对方。

系统1: 将两个人视为一个整体系统。

他们之间的推力就是这个系统内部的相互作用力,是内力

地面对人的摩擦力、人对地面的压力、重力等是外力

系统2: 只研究其中一个人。

另一个人推他的力,对这个研究对象来说就是外力

地面对他的摩擦力、重力也是外力

3. 内力对系统整体的影响(最重要特性):

内力不改变系统的总动量: 这是动量守恒定律的直接推论。系统内力的矢量和为零(牛顿第三定律:作用力与反作用力等大、反向、共线)。内力不会改变系统整体的动量(即系统质心的动量)。系统总动量的变化取决于外力矢量和(冲量)。

内力不改变系统质心的运动状态: 既然内力不改变系统总动量,根据 `P = mv_cm` (总动量等于总质量乘以质心速度),内力也不会改变系统质心的速度或加速度。系统质心的运动状态由外力矢量和决定。

例子: 在光滑水平面上,两个人站在静止的小车上互相推。

内力(推力)使两人分别向两端运动。

但两人的动量大小相等、方向相反,系统总动量仍为零(系统质心保持静止)。

如果小车有质量,且系统包括小车和两人,推力是内力,质心仍静止。

如果其中一人跳下小车(外力作用),系统总动量(质心动量)才会改变。

内力可以改变系统内部分物体的动量: 虽然系统总动量不变,但内力可以使系统内一个物体的动量增加,另一个物体的动量减少(等量反向)。

4. 内力对系统机械能的影响:

内力可以做功,从而改变系统的总机械能(动能+势能)。

保守内力(如重力、弹簧弹力)做功: 不改变系统的总机械能,只引起系统内部动能和势能的相互转化(机械能守恒的条件之一是只有保守内力做功)。

非保守内力(如摩擦力、爆炸力)做功: 会改变系统的总机械能(通常是转化为内能或其他形式能量)。

例子1(保守内力): 系统内两个小球用弹簧连接在光滑水平面上振动。弹簧内力(保守力)做功,使动能和弹性势能相互转换,系统机械能守恒。

例子2(非保守内力): 系统内两个冰面上的人相互推开(摩擦力忽略)。内力做功,两人的动能都增加(来自人体化学能转化为机械能)。

例子3(非保守内力): 射入木块(视为一个系统)。摩擦力(内力)做功,系统机械能减少(转化为内能)。

5. 外力对系统的影响:

改变系统的总动量: 外力矢量和(即合外力)不为零时,系统总动量会改变 (ΔP = F外 Δt)。

改变系统质心的运动状态: 合外力决定了系统质心的加速度 (F外 = m总 a_cm)。

可以做功,改变系统的机械能: 外力可以对系统做功,从而增加或减少系统的机械能(以及总能量)。

总结关键点与解题应用:

1. 明确研究对象(系统): 分析任何涉及多个物体的问题,必须先清晰地定义系统。这是区分内力和外力的基础。

2. 整体法(关注系统整体运动):

当只关心系统的整体运动(如质心加速度、系统总动量变化)时,优先考虑整体法。

核心优势:忽略所有内力! 因为这些内力成对抵消(矢量和为零),对整体动量变化没有贡献。

只需分析作用在系统上的所有外力

应用: 求连接体的共同加速度、系统质心的加速度、满足动量守恒的条件(合外力为零)等。

3. 隔离法(关注系统内部相互作用):

当需要求解系统内各部分之间的作用力(内力)或者分析某个特定物体的受力情况时,必须使用隔离法。

将某个物体从系统中隔离出来单独分析。

其他物体对该物体的作用力(在整体系统中是内力),对该隔离体来说就是外力。

应用: 求绳的张力、弹簧的弹力、两物体间的摩擦力或压力等。

4. 内力不影响整体动量,但外力影响: 这是动量守恒定律的核心应用前提。

5. 内力可以做功改变机械能: 分析系统机械能是否守恒时,不仅要看外力是否做功,还要看内部是否存在非保守内力做功。

简单口诀辅助记忆:

内力成对作用,系统内部抵消。(对总动量、质心运动无影响)

外力来自外界,决定系统变化。(决定总动量变化、质心加速度)

内力做功与否,决定能量转化。(可改变系统内部能量分布和总量)

理解内力和外力的区别与联系,并熟练掌握整体法和隔离法的应用,是解决高中物理力学综合问题(特别是多物体系统问题)的基石。

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