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走出对弹力定义理解的误区

关键词：形变 弹力
摘要：弹力又称为弹性力，是高中物理力学中重要的一种“性质力”。现行的人教版高中物理必修1教材中第三章《相互作用》的第二节就是《弹力》。中学生对于弹力的定义的理解一直存在困难和误区，本文是笔者对弹力的定义进行的浅略的剖析，让中学生能够更深入的理解。

正文：
弹力是一种基本相互作用即电磁相互作用在宏观上的表现之一。教材中是这样对弹力下定义的：发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫做弹力。教材中还提到：物体的形变如果能恢复原状就叫做弹性形变。学生从这两段话中容易得出这样的结论：只有发生了弹性形变的物体，由于要恢复原状，才会对与它接触的物体产生弹力。这样的结论准确吗？
看两个例子。
例1：用力拉铁质弹簧和用力拉铁丝。在弹性限度内，弹簧能恢复原状，是弹性形变，对手有弹力的作用；而铁丝发生了微小的弹性形变，也能恢复原状，对手也有弹力作用。那么，假如用力过大把弹簧拉成了一根铁丝呢？这种情况有没有弹力的产生呢？
例2：用石块砸玻璃。第一次用力较小，玻璃没有破碎，玻璃发生了微小的弹性形变，对石块有弹力作用；第二次用力较大，玻璃破碎了，显然玻璃不能恢复原状，不是弹性形变。难道第二次玻璃对石块没有弹力吗？
我们对这两个例子进行分析。例1中的弹簧被拉直了，成了一根铁丝，显然发生的不是弹性形变，不能恢复原状，按照学生的理解就没有弹力产生；而单独拉一根铁丝却会产生弹力作用，同样都是用力拉铁丝，怎么会产生两种结果呢？这显然是有问题的。例2中第二次用力砸玻璃，石块把玻璃砸碎了，按照学生的理解，玻璃碎了不能恢复原状了显然没有弹力产生。但我们这样思考：在玻璃破碎之前没有谁能知道玻璃这次会不会被砸碎，所以在这一过程中玻璃仍然努力要恢复原状，对石块有弹力作用。难道说，在石块接触玻璃的一瞬间，玻璃能预感到这次会不会被砸碎？不会碎就产生弹力，会碎就不产生弹力？
从分析来看，学生对弹力的这种理解显然是有问题的，存在理解上的误区。但是笔者在教学中发现为数众多的学生都存在这种错误的理解。那么，教师在教学中要怎样去帮助学生走出对弹力定义理解的误区呢？
第一要理解什么是形变。形变顾名思义就是物体的形状或体积发生了改变。形变又可分为弹性形变和塑性形变两类：弹性形变即是能够完全恢复原状的形变；塑性形变即是不能够完全恢复原状的形变。自然界中物体的形变都可以归为这两类中。那么自然界中的所有物体是不是有一类只会发生弹性形变，另一类物体只会发生塑性形变呢？答案显然否定的。例如：轻轻弯折一根直铁丝，松手后能恢复原状，是为弹性形变；用力弯折后，不能恢复原状，是为塑性形变。从例子中可以看出，一个物体的形变是不是弹性形变跟物体的形变程度是有关系的，这个程度叫做弹性限度，任何物体只要在弹性限度内的形变，都能恢复原状，是弹性形变，超过了弹性限度，就是塑性形变。
第二要对形变进行更深入思考。发生了弹性形变的物体，其内部结构没有变化，物体还是原来的物体。而发生了塑性形变的物体，形变超出了弹性限度，造成了内部结构发生了变化，被“塑造”成了一个“新”的物体了；而这个新的物体又会有一个“新”的弹性限度。例如：刚出炉的很松软的面包，内部有很多的“小气孔”。轻轻用手指按压，不会破坏其内部结构，形变可以恢复；但用力按压就会破坏这些“小气孔”，造成不可恢复的形变，形变后的面包已经和之前的面包在结构上不同了，可以认为是一个新的个体了，并且这个新的面包又会有一个弹性限度。
第三要理解形变是一个连续的过程，不是“突变”。物体发生了弹性形变，对与它接触的物体固然有弹力产生。但如果物体发生了塑性形变，形变又是连续的，那么可以理解为整体的形变是由无数个微小形变所组成的，每个微小形变对应一个新的物体，并且处在新物体的弹性限度内，这样的话每一次微小形变都要恢复原状，从而对外有弹力作用。
现在我们再来深入分析前文中的两个例子。例1中把铁质弹簧用力拉直，把拉直的过程分为两个阶段，第一阶段弹簧的形变在弹性限度内是为弹性形变。继续拉，一直到拉直为止是第二阶段，这一阶段实际上可以认为弹簧的内部结构已经发生改变，弹簧已经恢复不了原状了，成为一个新的“弹簧”。但这一阶段的形变可以看做是很多的微小形变组成的，每发生一次微小形变这个“新弹簧”都想要恢复“原状”，从而对与它接触的物体有弹力作用。例2中第二次用力砸，石块砸破了玻璃。在石块接触玻璃的一瞬间，玻璃就产生了微小的形变，对石块有弹力作用。后来玻璃破碎了，破碎后当然对石块没有弹力作用了（石块和玻璃已经不接触了），但是玻璃的破碎是因为很多次微小形变的累积造成的，而每次微小形变都应该有弹力作用的。
综上所述，我们可以对弹力这样下定义：只要物体发生了形变，都想要恢复原状，从而对与它接触的物体产生弹力作用。当物体发生了弹性形变时，弹力大小与形变量成正比，中学阶段可以定量计算弹力的大小；而超出弹性限度时，弹力大小与形变量关系较为复杂，中学阶段不需掌握。

参考文献：人民教育出版社 高中物理必修1

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