第五节物理常识——四种基本力的应用
物质的基本粒子种类多达上万种，然而最终可划分为三种：强子、轻子和传播子。在长达几个世纪的探索中，力的基本种类在不断地演变，最终归类为强相互作用力、电磁相互作用力、弱相互作用力、万有引力四种基本力。
1.四种常见的力
力能使物体的运动状态发生变化（变快或变慢、缩短或弯曲等形变），力是矢量。力的作用效果不但和它的大小、方向有关，还和力的作用点有关。力的大小、方向和作用点是力的三个要素，其中任何一个因素改变，力的作用效果就会跟着改变。例如，打乒乓球时，由于球板的击球方向、作用力大小和击球点不同，人们能击出各种形式的旋转球。
由于物体之间相互作用的方式不同，有各种不同的力。在牛顿的时代，人们对力的认识还仅限于宇宙天体之间的万有引力和相互接触的物体之间各种常见的力。如，拉力、弹性力、绳的张力、正压力、摩擦力，等等。今天，人们对力的认识已大大超出了这个范围。
按照力的基本性质区分，目前人们所认识的自然界中的各种力可归结为以下四种基本的相互作用：
（1）引力相互作用——由于物体具有质量，因而物体之间有万有引力相互作用。
（2）电磁力相互作用——存在于静止电荷或电荷之间的相互作用。
（3）强相互作用——存在于核子（中子和质子）、介子和超子之间的五种相互作用。
（4）弱相互作用——存在于基本粒子之间的另一种相互作用。
上述四种基本相互作用中，后两种都是基本粒子之间的近距离作用；在宏观物体之间，重要的是前两种相互作用。
从施力和受力的过程来说，这种中间物质就是场。不同的相互作用是由不同的场来传递的。
2.力的基础知识
在国际单位制中，力的单位是牛顿（简称“牛”），符号为N.1牛顿是使1千克的质量的物体获得1米/秒?加速度的力。在物理学中，力常用一根带有箭头的线段表示，线段的长短表示力的大小，箭头的指向表示力的方向，箭尾所在处表示力的作用点。力的这种表示方法更直观。
质量：表示物体所含物质的多少的物理量。又是量度物体的惯性大小的物理量。
质量是物体本身固有的一种属性。质量的值一般用物体所受合力和由此得到的加速度之比来表示。在一定大小的力的作用下，物体的质量越大，它所获得的加速度越小。如果物体的运动速度接近于光速，那么物体的质量就会显着地随着速度而变，物体之间的万有引力也由它们的质量决定。在同一地区各物体的质量（物体所受重力的大小）分别和它的质量成正比。
物体的质量还和能量相关，它们间的关系为E＝平方米（E为能量，c为真空中的光速）。
在国际单位制和中国法定计量单位中，质量的基本单位为千克（公斤），符号kg。常用分数单位有克（10-3千克，符号g）、毫克（10-6千克，符号mg）等。
密度：物体的质量与其体积的比值，也就是物质每单位体积内的质量。在国际单位制和中国法定计量单位中，密度的单位为千克/米3。为方便起见，也常用克/厘米3表示。对于气体，还常用克/升（1升＝10/3米?＝1分米?）表示。
一般来说，不论什么物质，也不管它处于什么状态，随着温度、压力的变化，体积或密度也会发生相应的变化。因此，在说某一物质的密度时，如果有必要，还须指明是在什么条件下测定的密度。
例如，银的密度为10.5克/厘米?（20℃)；氢气的密度为0.8987克/升（0℃，101325帕）等等。
比重：物体的重量和其体积的比值。单位为牛顿/米?(N/m?)。
根据国际单位制的定义，比重是相对密度，即某种物质的密度与一种选为标准的物质(水)的密度之比。它是一个没有单位的值。
重心：物体各部分所受重力的合力的作用点。物体的每一微小部分都受到地球的引力作用。地球对物体各部分的引力之和，就是作用在整个物体上的重力。这个力可以看成是作用在某一点上，这个点就是物体的重心。
质量分布均匀的物体，重心的位置只跟物体的形状有关。如果物体呈中心对称，那么它的重心就在它的几何中心上。例如，均匀的球体的重心在球心；均匀的圆板的重心在圆心；均匀的正方形(或矩形)板的重心在它的两条对角线的交点上，等等。重心的位置不一定在物体上，如圆环的重心在环心。
对于一般的薄板形物体，它的重心可以用悬挂法来确定：先在板上任意选一个悬挂点，在此点用线将板悬挂起来，平衡时，合力的作用点(重心)一定在悬挂线(或其延长线)上；再把悬挂点换到另一点，平衡时，重心又必定在新的悬挂线(或其延长线)上，前后两线的交点，就是这块薄板重心的位置。
质量分布不均匀的物体，重心的位置除跟物体的形状有关以外，还跟物体质量的分布情况有关。例如，载货汽车的重心会随着所装货物的重量和装载位置而变化。
失重：物体对支持物的压力(或拉力)小于物体本身所受重力的现象。例如，一台升降机加速向下运动，这时人对升降机地板的压力小于人的重量。如果升降机向下加速度等于重力加速度g，这时人对地板没有压力，人站在机内的秤上，秤上的示数将为零，好像此人没有重量一样。这时，如果此人手里拿着一个物体，将手放开，这物体将停留在半空中，而不会掉到升降机的地板上；如果此人用力向上一跳，获得一个初速度，他就会以这个速度在机内匀速上升，直到头撞在升降机的顶板上。在人造卫星上的物体，就处于这种完全失重的状态。
在失重的条件下，做饭是相当麻烦的问题。因为水蒸气会把全部的水通过容器的排气孔驱赶出去。由于失重，人不能靠食物的重力把食物吃到胃里，因此宇航员只得吃软管装的膏状食物。
3.几种常见的物理常识
质量和重量
质量和重量是两个不同的物理量。质量是物体的一种性质，通常指该物体所含物质的多少的量，是量度物体惯性大小的物理量。
重量是在地心引力的作用下，物体所具有的向下的力的大小，是物体受到的重力的值。
由于地心引力的作用，物体具有向下的力，这个力的大小叫做重量。重量在各地区因地心引力的不同而有微小的差别，在地球两极比在赤道大一些，在高处比在低处小一些。
失重和超重
把一个质量1千克的钩码挂在弹簧测力计上，当测力计和钩码相对于地面静止或作匀速直线运动时，测力计的示数为9.8牛顿，与地球对钩码的吸引力一致。可是，当钩码在垂直于地面的方向上作变速运动时，测力计的示数就会发生变化，某种情况下，示数可能小于9.8牛顿，我们说钩码“失重”；另一种情况，示数可能大于9.8牛顿，我们说钩码“超重”。人们乘坐游乐园中的过山车，或乘汽车越过起伏不平的路面时，常有一种说不出的难受感觉，这是轻微的“失重”或“超重”所致。
宇宙飞船发射时，宇航员要承受很大的“超重”，为了防止血液向双脚下沉而使大脑供血不足和人体体内器官都向骨盆下沉，所以宇航员在飞船发射时要采取仰坐的姿势。
万有引力
不但地球对它周围的物体有吸引作用，而且任何两个物体之间都存在这种吸引作用。物体之间的这种吸引作用普遍存在于宇宙万物之间，故称为万有引力。
牛顿在开普勒定律和自由落体定律的基础上，经过长期的研究发现：自然界中任何两个物体之间都存在着一种相互的引力，称为万有引力。1687年牛顿发表了万有引力定律：自然界中任何两个质点都以一定的力互相吸引着，这个力同两个质点的质量乘积成正比，同它们之间的距离的平方成反比。通常两个物体之间的万有引力极其微小，难以察觉它，可以不予考虑。比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米，他们之间的万有引力还不足0.01牛顿，而一个蚂蚁拖动树叶的力竟是这个引力的100倍。
但是，在天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。在天体中质量还算很小的地球，对其他物体的万有引力已经具有很大的影响，它把人类、大气和所有地面上的物体都束缚在地球上，它还使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。重力就是地面附近的物体受到地球的万有引力而产生的。太阳系中的九大行星绕太阳旋转而不离去，就是由于万有引力的作用。银河系里的球状星团——由上百万个恒星聚在一起并呈球状的恒星集合体——聚集不散，也是由于万有引力作用的结果。
惯性
物体保持运动状态不变的性质叫做惯性。一切物体都有惯性。
惯性是物体本身的一种性质，是任何物体、任何时候在任何状态下都有的性质，与物体的运动状态、受力情况、速度大小无关。惯性的大小只与物体的质量有关，质量越大，惯性越大。如，一辆缓慢行驶的汽车比一辆高速行驶的摩托车惯性要大。
在日常生活中有很多惯性的例子。例如跳远时，人往往要助跑一段路再起跳。这是因为人起跳前助跑，使人获得一定的速度，由于惯性，不能立即停下来，当人起跳后，身体还具有一定动能可以使身体往前。骑着自行车时向上抛出手中的球，之所以落下时会回到手中，是因为球随骑车者一起向前运动，有着和骑车者一样的速度，所以当球抛起后，还要继续向前运动，会落回到骑车者手中。当奔跑时碰到石块，必然是向前跌倒；这是由于奔跑时碰到石块，脚由于受到石块的阻力立即停止运动，而身体没有受到石块的阻力，身体还要继续向前，所以必然向前跌倒。
4.力与运动
动静结合——驾车运动
通常，汽车等交通工具都是沿着固定的轨道(公路、铁轨或飞行路线)做各种形式的运动。它们不能够任意运动，如果逾越了它们固有的轨道或违反了交通规则，就会酿成悲剧。人类自古以来就有不安于现状敢于创新的勇气，不满足于常规的运动空间，将足迹遍布山川湖泊。
极限运动——蹦极、攀岩
你喜欢追求刺激，勇于冒险并且胆子够大吗？如果你的回答是肯定的，那么推荐你去尝试目前户外活动中刺激排名名列榜首的“蹦极”。蹦极是近几年来新兴的一项非常刺激的户外休闲活动。你是整日身处水泥丛林中无处宣泄工作压力的上班族？还是面对考试压力的学生？或是生活困惑、沮丧的人？那么，来尝试蹦极吧，它会让你的压力尽情地释放。
蹦极时的速度超过每小时55公里，它带给你最恐怖、最惊险且最刺激的感觉，就好比是向“死亡之神”挑战，尤其是80％反弹的感觉最为过瘾，反弹大约4～5次，想体验不同高度、不同蹦极方法的人，都可以体验一下“重获新生”的感觉。
攀岩
作为登山运动基本技术之一的攀岩技术，已经有100多年的历史了。早在1865年，英国登山家埃德瓦特就首次使用钢锥、铁链和登山绳索等简易装备，成功地登上险峰，从而成为攀岩技术和攀岩运动的创始人。1890年，英国登山家又改进了攀岩工具，发明了打气用的钢锥和钢丝挂梯以及各种登山绳索，使攀岩技术发展到了更加成熟的阶段。
中国有很多的高山，地理条件极为优越，世界上最高的山峰——喜马拉雅峰便坐落在我国青藏高原与尼泊尔的交界处。1958年6月中国登山协会正式成立。
第六节一个启发伟人灵感的苹果——万有引力
地球上的万物之所以不能脱离地球，而飘浮在宇宙中，是因为有万有引力的存在。
正是因为地球的引力作用，人类才能够在地球上繁衍生息。我们可以将万有引力称为一位功臣，因为如果没有万有引力的存在，人便会飘浮在太空之上，难以生存，人类也就不可能存在。
事实上，万有引力存在于任何两个物体之间。物体之间的吸引作用普遍存在于宇宙万物之间，这种作用就是所谓的万有引力，同时，它也被称为引力相互作用或重力相互作用。通常情况下，在人们的使用过程中，也将万有引力称为重力。
1.发现万有引力的原因
万有引力是由牛顿发现的，它被发现的原因有许多，其中最主要的有以下几点：
（1）科学发展到一定阶段的必然要求
在牛顿还未发现万有引力之前，曾有许多天文学家对宇宙中的星星进行观察。开普勒以他前面的几位天文学家的观察记录为基础，进行了分析与总结，得出了开普勒三定律：其一，所有行星都绕太阳进行椭圆运行，太阳在所有椭圆的公共焦点上。其二，行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。其三，所有行星轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等。
虽然开普勒三大定律是不容置疑的，但是为什么会出现这样的情况？它们为什么会做加速不为零的运动？开普勒没有作出明确地解释和回答，经过再三思考和探索，牛顿得出了这样一个结论：任何物体之间都存在着万有引力。然而，牛顿发现万有引力定量这一过程是非常漫长的，他不屈不挠的探索精神是值得每个人学习的。
（2）个人因素
万有引力定量的发现，虽然是生产力发展的需求，科学发展的要求，然而，牛顿自身的因素也是不能忽略的，这些因素包括他的聪明才智、很强的思考能力、一定的知识量等。