知识导图
——关于“力”的那些事儿

这本书介绍了12个趣味游戏，这些游戏有的看起来简单，但操作时需要格外的细心和反复的实验；有的看起来非常炫酷，甚至还有点神秘色彩，但其实操作起来非常容易。无论简单还是复杂，这些游戏背后都隐藏着共同的神秘力量——“力”。

我们希望，同学们能够从这些游戏中受到启发，在面对生活、学习中的各种困难时，学会如何分析问题，用全新的眼光去看待周围的事物和现象，用科学的态度和方法去寻求解决方案。

力，是生活中常见的现象；力学，是物理学中的一个重要分支。即使同学们还没有学习过任何物理知识，也可以从本书介绍的日常现象和图片中明白问题的本质。书中，我们会给大家介绍一些可爱的小伙伴——小智哥哥、小玥妹妹、美猴王、小牙签、蛋仔三兄弟等。他们会遇到各种难题，让我们跟随他们一起，思考解决问题的方法，开始这段关于科学、物理的奇妙探索吧。

为了方便同学们理解游戏中的物理学知识，我们先把这些知识和相关的日常现象集中在这张知识导图里，让大家可以系统地了解本书知识点的全貌，并且有初步的印象。后面在每个游戏中，我们都会有更详细生动的介绍。

1.从“力”开始

（1）力是什么

力是物体间的相互作用，这种作用的结果会使物体发生变化——要么是运动状态改变，要么是物体形状变化。

（2）力的单位

衡量力大小的单位是牛顿（N），就是那位著名的大科学家的名字。

直观一点，1牛顿约相当于2个鸡蛋受到的重力，如图0-1所示。所以记住，在物理学中提起“1牛”可不是一头牛的力气哦。

（3）力的三要素

大小、方向、作用点是力的三要素。那怎样简单地表示力呢？在文中，我们一般会用一条带箭头的线段来表示力。比如，图0-2中的黑色箭头就表示蛋仔受到的力，而箭头所指的方向，就是力的方向。

2.力的平衡与稳定

（1）生活中的力的平衡

虽然在物理学中，匀速直线运动也属于平衡态，本书中的平衡一般指物体与地面保持相对静止的状态。

以鸡蛋为例，它通常可以静止地躺在桌子上，在很小心地摆放的情况下，可以实现直立平衡。不过如果在空蛋壳里加些重物，把它变成一个不倒翁，让它躺倒就很困难了，如图0-3所示。

当我们将一张纸币折叠后以一定的角度立于桌面，就可以在折叠处轻松地放上一枚硬币，如图0-4所示。但是如果此时你将纸币慢慢拉成平展的状态，要想让硬币继续待在那个位置，可就需要技巧了。

（2）平衡与稳定的关系

这两个例子中，鸡蛋和硬币都能平衡，但是有的容易实现，有的很难实现，原因与它们的稳定性有关。

稳定可以理解为，如果受到很小的干扰，物体还能在原平衡位置附近达到平衡，或只做小幅度运动。不稳定，就是很小的干扰也会使物体远离原来的平衡位置。

想象一下，如果酒杯没有底座，如图0-5所示，它能立在桌面上吗？

小玥妹妹如果非要在公共汽车上练芭蕾，用脚尖站立，如图0-6所示，她能站稳吗？

答案很明显，酒杯不能立在桌面上，小玥妹妹也站不稳！你有没有发现，前面没底座的酒杯和单腿用脚尖站立的小玥妹妹，共同点是与桌面和地面的接触面积都很小。由此可见，物体的稳定与底部的面积有很大的关系。

方法总结

如果平衡是稳定的，很容易实现；如果平衡是不稳定的，就需要特别的技巧才能实现 。

3.弹力

所谓“弹性形变”指的是物体在外力作用下发生形状变化，当外力撤销时，又恢复原状的特性。物体发生弹性形变后，由于要恢复原形，会对跟它接触的物体施加力的作用，这个力就是“弹力”。比如，跳板跳水运动员脚下的那块“跳板”就具有弹性，起跳时借助它产生的弹力，可以让运动员高高地跃向空中，如图0-7所示。

弹力的大小和跟物体的形状变化有关系：在弹性限度内，形状变化越大，弹力也越大；形状变化消失，弹力就随着消失。利用这个特点，人们发明了“弹簧秤”。在本书中，我们会根据这个知识点，利用橡皮筋自制弹簧测力计，如图0-8所示。

注意

产生弹力的物体还受到“弹性限度”的制约 。

物体的形状变化超过一定限度时，撤去作用力后，物体就不能完全恢复原来的形状，这个限度叫作弹性限度。例如在弯折竹竿时，如果用了很大的力气，竹竿就会被折断，如图0-9所示。所以做实验时，大家一定要注意了解实验材料的弹性限度。

4.重力、重量与质量

（1）牛顿的苹果与重力

先来看这个著名的苹果，如图0-10所示。传说中砸在牛顿头上、让他发现了“万有引力”的苹果。

苹果向下落是因为它受到地球的吸引，如图0-11所示。

我们通常把由于地球对物体的吸引而产生的力称为重力。一般情况下，重量可以理解为重力的大小。在生活中，人们经常把重力和重量的概念混着使用，重量既可以表示物体受到的重力，也可以表示重力的大小。

（2）质量与重量

质量则表示物体所含物质的量。

质量与重量这两个概念既有联系，又有区别。质量是物体的固有属性，而重量则是物体外在的表现形式。物体的质量在不同的地方都是一样的，而重量则不同。比如，在地面上很重、搬不动的物体，到了太空中，由于失重导致它根本就没有重量，会飘浮在空中。但是这同一个物体，质量并没有改变。同样，如图0-12所示，人在太空中也会飘浮起来，质量并没有变化啊！

（3）质心和重心

本书中的游戏都是在地面附近做的，这时重量与质量的比值是一个固定数值“g”。

物体质量的中心叫作质心，物体所受重力的等效作用点叫作重心。在地球表面附近，物体的重心和质心是重合的。

大家可以想象，如果一个物体形状规则、密度均匀，比如一个实心球，它的重心一定就在球的正中心，如图0-13所示。

但是形状不规则的物体呢？比如一个人的重心在哪里？后面我们会在游戏里教给大家找重心的好办法。

此外，重心对于稳定也有很重要的影响。我们常说，重心低更稳，重心高不稳，如图0-14所示，背后又有什么道理呢？

5.摩擦力与摩擦角

（1）摩擦力

当你开始轻轻推一个物体时，物体不会动，这是由于物体受到摩擦力，称为静摩擦力。当你慢慢加大推力，推力大到一定量时，就可以推动物体了，说明你的推力大于最大的静摩擦力，如图0-15所示。

（2）摩擦力的3种类型

如图0-16所示，3个顺着斜坡下来的木箱和木桶，分别受到3种不同类型的摩擦力。

如果你也想坐在木板上沿着斜面下滑，你会发现：如果斜面角度大，就可以轻松滑下来；如果斜面角度小，就很可能滑得很慢甚至停在斜面上，如图0-17所示。就像我们在游乐场里，那些看起来很陡的滑梯，总是很吓人，也很刺激！

这就涉及了神秘的“摩擦角”。不同物体之间的摩擦角不同，光滑的玻璃摩擦角很小，粗糙的皮革摩擦角就很大。不过，一般物体摩擦角不会超过45°。后面的游戏中，我们会给大家详细介绍摩擦角和它在生活中带来的各种现象。

6.碰撞

生活中，如果小朋友很乖，爸爸妈妈会温柔地接触他，这叫“抚摸”；如果小朋友调皮捣蛋，爸爸可能重重地接触他，我们就会说这个小朋友“挨打”了。而对于没有生命的物体，我们不用抚摸、挨打这类词语，而是用“接触”和“碰撞”。

碰撞是一种接触，碰撞接触的时间越长，碰撞的作用力就越小；接触的时间越短，碰撞的作用力就越大。在生活中这样的例子很多，如图0-18所示，你用拳头击打泡沫墙，泡沫会产生较大的变形，而变形是需要时间的，这就增加了手与墙面的接触时间，手不会感到疼痛；而如果用同样的力气击打砖墙，墙面基本上没有变形，手与墙面的接触时间短，手会感到疼痛。

利用碰撞时的变形带来的影响，我们可以设计一些小装置，来减小碰撞时产生的破坏性效果。在游戏6中，你将会学习如何利用这个科学原理，保护一枚鸡蛋从高处安全着陆。

7.能量与做功

当我们辛苦地搬运重物时，在物理学中就称为“做功”。“功”是指力与移动距离的乘积。比如，图0-19中辛苦把鸡蛋搬上楼的小玥妹妹就正在做功。这里涉及的力就是一箱鸡蛋的重力，而距离则是从1楼到目的地的距离。通过做功她可以把这箱鸡蛋搬到高处，但做功是要消耗身体内的化学能量，而脂肪燃烧剩下的废料，会让她第二天腰酸背痛。

物体由于运动而具有的能量称为“动能”。物体受到重力且被举起一定的高度而具有的能量称为“重力势能”，简称为“势能”。动能很容易理解，动起来才具有能量，而势能就有点抽象了。大家可以想想成语“势如破竹”，这是一种物体所蕴含的与高度相关的能量。日常生活中所说的“搬起石头砸自己的脚”“落井下石”“爬得高、跌得重”都是在描述这种现象。

刚才小玥妹妹辛苦搬上楼的鸡蛋，也就具有了势能，如果从30米高的10楼楼顶上掉下去，如图0-20所示，它的势能又会转化为动能，让鸡蛋在落地时达到约24米/秒的速度，比人类百米短跑世界冠军的速度还要快1倍。这就是动能和势能的相互转化。