5．二力平衡的条件

我们在研究牛顿第一定律时，采用的是在实验的基础上进行分析推理的方法，因为我们发现，现实生活中不受力的物体是不存在的．那么我们周围为什么有些物体能保持静止状态或匀速直线运动状态呢？原来物体虽然受力，但这几个力的作用效果相互抵消，相当于不受力的作用．

如果物体受两个力作用时 ，能保持静止状态或匀速直线运动状态，那么我们就说这几个力相互平衡．

如果一个物体受两个力的作用时，能保持静止或匀速直线运动状态，那么我们说这两个力彼此平衡．两个力的平衡需要什么条件呢？

我们可以设计如下实验进行探究．

装置如图11-27所示：一个木块、两个小滑轮，两个托盘、一盒砝码．

图11-27

实验时，我们从力的三要素，即力的大小、方向、作用点三方面去研究．

按照上图进行实验，在两个托盘中放入砝码，第一次甲盘中砝码质量大，则F₁＞F₂，观察木块是否能保持静止；第二次甲、乙两盘中砝码质量相同，则F₁＝F₂，观察木块的状态，第三次甲盘中砝码质量小，则F₁＜F₂，观察木块状态，比较三次实验现象，不难看出：只有当F₁与F₂相等时，木块才能静止，否则木块会向作用大的那个力的方向运动．由此可以得到结论：在其他条件相同时，二力的大小相等，才能使物体保持静止状态．

在第二组实验中，我们让力的大小保持相同且不改变，将二力的方向相同、相反各做一次(如图11-28所示)，比较这两次实验现象，我们发现：当二力的方向相同时，会使木块运动．因此，在其他条件相同时，二力的方向相反时，才能使物体保持静止状态．

图11-28

在第三组实验中，要保证一次二力作用在一条直线上的实验，其余可多次改变二力作用线(力的方向所在的直线)的角度，像图11-29中只画了其中一种，其余的你可以自己进行，观察每次实验现象，分析后我们会发现：当二力的作用线在一条直线上时，木块才能保持静止．

图11-29

综合上述实验结果，我们可以得到结论：作用在同一物体上的两个力，如果大小相等、方向相反，并且在同一直线上，这两个力就彼此平衡．不难看出，二力平衡的条件有四个：一是“作用在同一物体上”，二是“大小相等”，三是“方向相反”，四是“作用在同一直线上”，只有这四个条件同时满足，二力才能平衡．

4．物体的运动不需要力来维持

牛顿第一定律又称为惯性定律．

根据牛顿第一定律：物体原来是运动的，如果不受外力作用，将保持运动状态，会一直运动下去．可见，物体不受外力作用，也可以运动．换句话说，物体的运动不需要力来维持．那么力和运动没有关系吗？我们来分析一下：牛顿第一定律说，物体不受外力时，要么静止，要么保持原运动状态．如果物体要改变现有的运动状态，那该怎么办？就要对它施加外力．加外力，可以使静止的物体变为运动．也可以使运动物体的速度方向或大小改变．可见，物体运动状态的改变是需要力的．换句话说，力是改变物体运动状态的原因．

这样，我们得到的力和运动的关系是：物体的运动不需要力来维持，但力是改变物体运动状态的原因．这一点，需要你把它理解了．

举个例子：太空中的一块石头做匀速直线运动，不受任何力的作用，如果它在某一天某一时刻，与另一陨石相撞了，那么它受到了力的作用，运动状态发生了改变，不会按原有的速度大小和方向做匀速直线运动了，可能变为静止，可能仍运动但速度大小或方向已经改变了．你理解了吗？

3．生活中的惯性现象

生活中的惯性现象很多．惯性是有危害的，但也是可以被利用的．

你想一想惯性的危害是什么？刹车时，汽车受到阻力的作用，阻力的方向虽然与汽车行驶方向相反，而且力很大，但汽车具有惯性，仍要保持原来的运动状态，不会马上停下，但速度会减慢，汽车上的乘客由于惯性也会向前倒，这样就有可能对人造成伤害．大货车从坡顶下坡时，速度会越来越大，同时货车自身的质量很大，这样货车具有的惯性很大．当货车遇到紧急情况刹车时，由于强大的惯性，速度仍会很大，且会驶出很长一段距离才能停下，这样造成的车祸是很惨重的．

为了避免或减小由于物体的惯性造成的危害，人们采取了很多措施：小型客车的驾驶员和前排乘客必须使用安全带，以便发生交通事故时，安全带对人体运动起到缓冲作用，防止出现二次伤害．在高档轿车上，还安装着安全气囊系统，一旦车发生严重撞击，气囊会自动充气弹出，使人不致撞到车身上．对于货车，国家有关条例明确规定，不能超载运行，并且在斜坡等较危险的路面建上减速带，减慢汽车通过时的速度，这些都能使货车的惯性减小，避免车祸，减少人、财、物的损失．

惯性也有对人们生活有利的一面．用力地甩衣服，抖落上面的灰尘，就是惯性的利用．甩衣服时，灰尘和衣服一起运动，衣服突然停止时，灰尘仍要保持原来的运动，就会离开衣服，这就是利用了灰尘的惯性．同样，建筑工人用铁掀运送泥沙时，铁掀和泥沙一起运动，铁掀停止运动，泥沙由于惯性，仍保持原来的运动，会被“扔”出去．利用惯性，可将松动的锤头套紧，飞机在投掷救灾物资时，应在未到达目标前投放，因为物资和飞机一起运动，离开飞机后，并不是竖直下落，而要保持原来向前运动的状态．因此物资下落时是一边向前运动，一边向下运动的．物资的运动情况到底是什么样，这是较深的运动问题，如果你感兴趣的话，可以去查阅高中课本．

生活中还有很多防止惯性危害和利用惯性的实例，只要你多动脑、多观察，会发现很多有趣有用的物理知识．

2．惯性的定义

研究惯性时，我们先来说一说生活中的惯性现象：在水平公路上行驶的汽车突然刹车，人会向前倾，有些扶得不牢靠的人会摔跤；你在沙滩上行走，突然被一石块绊了一下，脚停止前进，身子仍会向前行，因此会摔倒，这都是由于你具有惯性而产生的现象．那么，到底什么是惯性？

物体保持某一种状态时，不论是静止还是运动，当对它施加外力，要它改变目前的状态时，物体却不想改变它现在的状态．物体这种具有保持运动状态不变的性质叫做惯性．

一切物体都有惯性．惯性可大可小，与物体本身的一些性质有关．

1．牛顿第一定律

牛顿第一定律，虽然不能用实验直接验证这一定律，但它是在实验的基础上通过分析事实，再进一步概括、推理得出的，你可以动手做一做下面的实验：

找一个木板、一个斜面、一个小车和一块毛巾、一块棉布．实验所研究的是小车运动的距离，因此我们在不同实验条件下要观察比较的是小车的运动距离．

将木板平放在水平桌面上，斜面放在木板一端，在木板表面分别铺上毛巾、棉布，将小车放在斜面顶端，让它自由下滑，观察它在毛巾表面、棉布表面、木板表面上滑过的距离，进行比较．装置如图11-25所示，需要注意的是，每次小车下滑前都要保证初始位置是在斜面顶部．这样小车在平面上运动的初速度才能相同，实验结果才有可比性．

图11-25

实验可以观察到的现象是：小车在毛巾表面滑的距离最短(图11-26甲)，在木板表面滑得距离最长(图11-26丙)．我们来分析一下实验结果：毛巾表面最粗糙，它对小车的摩擦最大，小车速度减小得最快，木板表面最光滑，它对小车的摩擦最小，小车速度减小得最慢，运动得就最远．如某一物体表面比木板表面还要光滑，那么我们用此做实验看到的现象应该是小车滑出的距离比在木板表面还要长．

图11-26

我们再来设想一下：如果有一个绝对光滑的表面，用它来做实验时，小车受到的摩擦力为零，那么小车的速度将不会减慢，它将以恒定不变的速度永远运动下去．

以上结论是由英国物理学家牛顿通过分析事实，进一步概括，推理得出来的，叫牛顿第一定律：

一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态．

牛顿第一定律经受住了实践的检验，成为大家公认的力学基本定律之一．

5．培养动手实验的能力，培养逻辑思维能力．

[基础知识精讲]

你如果每天坐车上学的话，一定有这样的体验：当汽车刹车时，你会向前倾，当汽车启动或加速时，你会向后仰．这种现象与我们本节研究的问题有关，学好本节内容，你就可以解释很多现象．

4．知道二力平衡的条件；

3．知道惯性的定义；

2．知道惯性是一切物体都具有的性质；

1．知道牛顿第一定律的内容；