物体所受的合力等于它的质量乘以加速度:F = ma。这个公式里的力永远是合力(净力),加速度的方向与这个力相同。
这是力与动量的核心计算。它建立在计算合力之上,算出的加速度还可以用由斜率求加速度中的图像思路来核对。
为什么合力这么重要?
只有当物体所受的力不平衡时,它才会加速。一辆发动机驱动力为 3000 N 的汽车,并不会按 3000 N 来加速,因为摩擦力和空气阻力会把一部分抵消掉。只有剩下的部分,也就是合力,才会让汽车加速。
质量越大,要得到相同的加速度就需要越大的合力。所以同样用力一推,空车比载重的车加速得更快。
怎样使用 F = ma?
- 求出合力,沿运动方向把力相加减,方法和上一课一样。
- 把质量换成千克(如果题目以克给出)。
- 变换公式,得到所要求的量:a = F/m,F = ma 或 m = F/a。
- 代入并计算,然后写出单位。
- 检查合理性:合力越大,加速度应该越大。
例题详解
虚构情境: 一辆质量 1200 kg 的汽车,发动机驱动力为 3000 N。摩擦力和空气阻力合计 900 N。求加速度,以及从静止起 4.0 s 后的速度。
第一步,合力: 向前为正。3000 − 900 = 2100 N 向前。
第二步,质量: 已经是 1200 kg。
第三步,变换公式: a = F/m。
第四步,代入: a = 2100 ÷ 1200 = 1.75 m/s²,方向向前。
第五步,4.0 s 后的速度: v = u + at,其中 u = 0,所以 v = 1.75 × 4.0 = 7.0 m/s。
检查: F = ma → 1200 × 1.75 = 2100 N,与第一步算出的合力吻合。
要留意的错误
常见的失误是直接把驱动力代进公式。
错误的解法: a = 3000 ÷ 1200 = 2.5 m/s²。
学生用了发动机的力,而不是合力。900 N 的阻力被忽略了,所以加速度偏大。
改正的方法是在使用 F = ma 之前,先单独写一行“合力 = …”。这只需要十秒钟,就能消除最常见的错误。你也可以反过来检查:2.5 m/s² 需要 3000 N 的合力,而题目并没有给出这个合力。
自我检测
先试着做,再打开答案核对。
1. 一辆质量 4.0 kg 的小车受到 10 N 的合力。求它的加速度。
查看答案
a = F/m = 10 ÷ 4.0 = 2.5 m/s²。 检查:4.0 × 2.5 = 10 N。
2. 35 N 的合力使某物体产生 0.50 m/s² 的加速度。求它的质量。
查看答案
m = F/a = 35 ÷ 0.50 = 70 kg。 检查:70 × 0.50 = 35 N。
3. 一个质量 600 g 的球被踢出,加速度为 15 m/s²。求合力。
查看答案
换算:600 g = 0.60 kg。F = ma = 0.60 × 15 = 9.0 N。 检查:9.0 ÷ 0.60 = 15 m/s²。
下一步
F = ma 熟练之后,可以探讨两个物体相互作用时会发生什么:简单封闭模型中的动量守恒。如果你不确定力什么时候会互相抵消,可以回头看平衡力与没有力的区别。
代错力的学生通常明白公式,只是缺少先求合力的习惯。物理线上一对一补习的老师可以用你自己的题目帮你养成这个习惯。