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高中物理人教版 (新课标)必修11 重力 基本相互作用课文配套课件ppt
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这是一份高中物理人教版 (新课标)必修11 重力 基本相互作用课文配套课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了课前自主学习，地球的吸引，Gmg，竖直向下，质量分布，运动状态，作用点，支持力，绳收缩，恢复原状等内容，欢迎下载使用。
一、重力任务驱动 重心是物体上最重的一点吗?物体的重心一定在物体上吗?提示:不是。重心可以不在物体上,如篮球的重心不在篮球上。
1.产生:由于___________而使物体受到的力。2.大小:重力的计算公式是_____。3.方向:总是_________。4.重心:(1)定义:从效果上看,物体各部分受到的_____作用集中于一点。(2)重心位置决定因素:物体的_____和_________。
5.力和力的图示任务驱动 如图所示是手抛篮球的瞬间,手对篮球有没有力的作用? 提示:有,力的作用是相互的。
(1)力的作用效果:①使物体的_________发生变化。②使物体产生_____。(2)力的概念:物体与物体之间的_____作用。(3)力的两种表示:①力的图示:能表示出力的_____、_____和_______。②力的示意图:只能表示出力的_____和_______。
二、弹力1.弹性形变和弹力:(1)形变:物体在力的作用下_____或_____发生的改变。(2)弹力:由于要恢复原状,发生_____的物体对与它接触的物体产生的作用力。2.几种弹力:任务驱动 压力的方向一定竖直向下吗?提示:不一定。压力的方向总与接触面垂直指向被压的物体。
(1)常见的三种弹力: 图甲中,F1表示书对桌面的_____,F2表示桌面对书的_______;图乙表示绳的拉力,又叫绳的_____。(2)常见弹力的方向:①压力和支持力的方向都_____(选填“垂直”或“不垂直”)于物体的接触面。②绳的张力沿着绳指向_______的方向。
3.胡克定律:(1)弹性形变:发生形变的受力物体在外力撤除后能够_________的形变。(2)弹性限度:超过一定的限度,撤去外力后形变物体不能完全恢复原状。(3)内容:弹簧发生弹性形变时,弹力的大小F跟弹簧伸长(或缩短)的长度x成_____。(4)公式:F=___其中k为弹簧的劲度系数,单位:_________,符号____。
主题一 重力任务1 认识重力的产生和方向 【生活情境】情境1:体验观察树上苹果下落情景。情境2:工人砌墙时以及检测墙壁时,经常用到重垂线。
【问题探究】 (1)如图所示,为什么树上的苹果总要落向地面?提示:苹果落向地面是因为受到地球的吸引而产生的重力作用。(2)为什么使用重垂线可以检测墙壁是否竖直?提示:重垂线能检测墙壁是否竖直的原理是重力的方向是竖直向下的。重锤静止时,悬挂重锤的细线方向一定是竖直方向的,如果墙壁与细线平行,就说明墙壁是竖直的,没有倾斜。
任务2 力的图示和力的示意图【生活情境】 如图所示,物体A对物体B的压力为20 N。
【问题探究】 (1)怎样画出A对B的压力的图示?提示:①选取标度。选取某一长度的线段表示5 N的力,如图所示。②从力的作用点O沿竖直方向画一线段,线段的长度为标度的4倍,并在线段上加上刻度。③在线段端点处加上箭头,表示力的方向,如图所示。
(2)怎样画出A对B的压力的示意图?提示:沿力的方向画一条适当长度的带箭头的线段,主要表示出力的作用点和方向,线段的长度与力的大小不存在严格的比例关系。
【结论生成】1.重力的产生:(物理观念)(1)地面附近一切物体都受到地球的吸引,由于地球的吸引而使物体受到的力叫作重力。(2)在同一地点,重力的大小与质量成正比,即G=mg。2.重力的方向:(物理观念)(1)重力的方向总是竖直向下的,可利用重垂线确定其方向。(2)只有在两极或赤道时,重力的方向才指向地心,其他位置并不指向地心。(3)重力的方向不受其他作用力的影响,与运动状态也没有关系。
3.力的图示和力的示意图的区别:(物理观念)
【典例示范】 下列关于力的说法中正确的是( )A.任何性质的力都有施力物体,但不一定有受力物体B.重力是任何物体本身就具有的,与地球无关C.力的大小、方向、作用点,是影响力的作用效果的三要素D.有力作用在物体上,物体的运动状态一定改变【解析】选C。任何力均有施力物体和受力物体,故A错误;重力是物体和地球之间的相互作用而产生的,不是物体本身具有的,故B错误;力的大小、方向和作用点是影响力的作用效果的三要素,故C正确;力可以改变物体的运动状态或使物体发生形变,故不一定是改变物体的运动状态,D错误。
【素养训练】1.关于重力,以下说法正确的是( )A.重力的方向总是垂直地面向下的B.重力是物体的固有属性,不随物体位置的改变而改变C.形状规则的物体的重心,不一定在它的几何中心上D.挂在绳上静止的物体,它受到的重力就是绳对它的拉力【解析】选C。重力的方向总是竖直向下的,不能说重力的方向总是垂直地面向下的,故A错误;质量是物体的一种属性,而重力不是,物体的重力会随物体在地球上位置的改变而改变,故B错误;形状规则的物体,若质量分布不均匀,则物体的重心也不一定在它的几何中心,故C正确;挂在绳上静止的物体,它受到的重力等于绳对它的拉力——二力平衡,但不能说它受到的重力就是绳对它的拉力,因为二者产生的原因、方向都不同,故D错误。
2.一质量为0.6 kg的物体放在倾角为30°的斜面上,用与斜面平行的、大小为8 N的力F拉着它沿斜面向上运动,如图所示,画出拉力和重力的图示。(g取10 m/s2)
【解析】重力是由地球的吸引而产生的,大小为G=mg=0.6 kg×10 N/kg=6 N,方向竖直向下,重力的作用点在物体的重心上,重力与是否受其他力及运动状态无关。掌握画力的图示的正确方法,特别注意同一个力的图示中要使用同一个标度。答案:如图所示
【补偿训练】 在世界壮汉大赛上有拉汽车前进的一项比赛,如图是某壮汉正通过绳索拉汽车运动。则汽车所受拉力的施力物体和受力物体分别是( )A.壮汉、汽车 B.壮汉、绳索C.绳索、汽车D.汽车、绳索【解析】选C。要研究的是汽车,直接对汽车产生拉力的是绳索而不是壮汉,汽车所受拉力是绳索和汽车之间的相互作用,故其施力物体是绳索,受力物体是汽车,所以选项C正确。
主题二 弹力的产生条件 任务1 观察微小形变 【生活情境】用手挤压玻璃瓶,观察液面变化;用手按压桌面,观察墙壁上光点移动情况。
【问题探究】 (1)如图甲所示,用力挤压玻璃瓶身,细管中的水面会上升,松手后水面下降。细管中水面的变化说明了什么?提示:甲图中细管中水面的变化说明了玻璃瓶发生了形变。(2)如图乙所示,在一张大桌子上放两个平面镜M和N,让一束光依次被两面镜子反射,最后射到墙上,形成一个光点P。用力压桌面,观察到墙上光点的位置会发生变化。思考光点位置的变化说明了什么?提示:乙图中当力F增大时,两镜面均向里倾斜,使入射角减小,经两次累积,使反射光线的反射角更小,光点P下移;同理,若力F减小,光点P上移。光点位置的变化说明了桌面发生了形变。
(3)由上述两个实验说明什么?提示:任何物体在力的作用下,都会产生形变,只是有的形变明显,有的形变不明显。上述两个实验均采用了“放大法”显示微小形变的原理。
任务2 弹性形变【实验情境】如图所示,用力将弹簧拉伸和用手挤压面包,松手后,观察现象。
【问题探究】 (1)在图甲中,用力可以将弹簧拉长,松手后会怎么样?提示:松手后弹簧会恢复原状。(2)在图乙中,用力可以将面包挤扁,松手后会怎么样?提示:松手后面包不会恢复原状。(3)弹簧和面包的形状变化有什么特点?提示:①弹簧形变的特点是:形变后撤去外力就能恢复原状,属于弹性形变。②面包形变的特点是:形变后撤去外力不能恢复原状,属于非弹性形变。
任务3 弹力的产生 【生活情境】如图所示,设置了如下四种情境。
【问题探究】 (1)如图甲所示:物体A、B并排静止在光滑水平面上,A、B之间有弹力吗?提示:在图甲中,若移走物体A,物体B仍然静止,或者移走物体B,物体A仍然静止,说明虽然A、B接触,但相互之间没有弹力的作用。(2)如图乙所示:光滑物体C、D叠放在光滑水平面上,处于静止状态,C、D之间有弹力吗?提示:在图乙中,如果将物体D快速撤出,物体C会立即下落,这说明D阻止了C的下落,说明C、D之间有弹力的作用。
(3)如图丙所示,在光滑水平面上,用力推动小车向左压弹簧,弹簧对小车有弹力作用吗?提示:松手后,压缩弹簧的小车被弹出,这说明弹簧对小车有弹力作用。(4)如图丁所示,用力推动小车向左压橡皮泥,松手后橡皮泥对小车还有弹力作用吗?提示:压缩橡皮泥的小车不被弹出,这说明橡皮泥对小车没有弹力作用。
(5)弹簧和橡皮泥分别发生的形变有什么特点?①弹簧形变的特点是:__________________________________________;②橡皮泥形变的特点是:________________________________________________。(6)从上述问题中,我们可以得出弹力产生的条件是什么?产生弹力的条件:_______________;___________________。
弹簧形变后撤去外力能恢复原状,属于弹性形变
橡皮泥形变后撤去外力不能恢复原状,属于非弹性形变
【结论生成】1.形变:
3.判断弹力是否存在的两种方法:(1)定义法。根据弹力产生的条件直接进行判断,如果具备弹力产生的“两个条件”,则接触面之间存在弹力,否则,不存在弹力。(2)假设法。①假设无弹力:假设物体在某一接触处不存在弹力,看物体是否在该位置保持原来的状态,从而判断物体在该处是否受到弹力作用。②假设有弹力:就是假设与研究对象接触的物体对研究对象施加了弹力,画出假设状态下的受力图,判断受力情况与原来状态是否矛盾,若矛盾,则不存在弹力,若不矛盾,则此弹力存在。
【拓展延伸】用放大法观察物体的微小形变(1)观察圆玻璃瓶的微小形变。如图所示,取一个圆玻璃瓶,里面盛满水,用穿有透明细管的橡皮塞封口,使水面位于细管中,用手捏玻璃瓶,玻璃瓶发生形变,容积减小,水受挤压,细管中水面上升,松开手后,形变恢复,水面落回原处。
(2)观察扁玻璃瓶的微小形变。将(1)中的圆玻璃瓶换成扁玻璃瓶,其横截面为矩形,如图甲所示,如果用手沿图乙方向挤压玻璃瓶,玻璃瓶发生形变,容积减小,可观察到细管中水面上升;如果用手沿图丙方向挤压玻璃瓶,玻璃瓶发生形变,容积增大,可观察到细管中水面下降,松手后,形变恢复,水面回到原位置。(3)设计这个实验的原理是放大法,在有些现象、变化、待测量十分微小的情况下,往往采用放大法,物理学中不少重大发现利用了放大法。
【典例示范】如图所示,半径不同的P、Q两球紧靠着并静止放置在光滑的水平地面上,下列说法正确的是( ) A.P、Q两球之间存在有弹力B.球对水平地面的压力就是球所受的重力C.球对水平地面的压力是球发生微小形变产生的D.球受到水平地面的支持力是球发生微小形变产生的【解析】选C。对Q受力分析,若P对Q有弹力,Q不会处于静止状态,所以A错误;压力大小等于重力,但是它们性质不同,所以B错误;所有压力都是由形变产生的,球发生微小形变对水平地面有压力,所以C正确;球受到水平地面的支持力是水平地面发生微小形变产生的,所以D错误。
【素养训练】1.2019年3月7日,国际泳联世界跳水系列赛北京站比赛中,曹缘搭档谢思埸获得双人三米跳板冠军。如图所示为曹缘与谢思埸的跳水起跳动作。下列说法正确的是( )A.跳板发生形变,运动员的脚没有发生形变B.跳板和运动员的脚都发生了形变C.运动员受到的支持力,是运动员的脚发生形变而产生的D.跳板受到的压力,是跳板发生形变而产生的【解析】选B。运动员起跳时,跳板和运动员的脚都会受到力的作用,所以都会发生形变,A项错误,B项正确;运动员受到的支持力,是跳板发生形变产生的,C项错误;跳板受到的压力,是运动员的脚发生形变产生的,D项错误。
2.(多选)如图所示,图中的物体A均处于静止状态。下列关于弹力的说法正确的是( ) A.图甲中地面是光滑水平的,A与B间存在弹力B.图乙中两斜面与水平地面的夹角分别为α、β,A对两斜面均有压力的作用C.图丙中A受到斜面B对它的弹力的作用D.图丁中A受到斜面B对它的弹力的作用
【解析】选B、C。图甲中, A物体一定受到竖直向下的重力和地面竖直向上的支持力,因为A物体静止,所以不可能再受到B对A斜向右下方的弹力作用,故A错误;图乙中,若除去左侧的斜面,A将运动,若去掉右侧的斜面,A也将运动,所以两斜面对A物体均有支持力作用,故B正确;图丙中,A受到竖直向下的重力,细线对A的拉力,方向沿细线斜向右上方,为保持静止,A一定受到斜面B对它的支持力,方向垂直于斜面指向左上方,故C正确;图丁中,A一定受到竖直向下的重力,细线对A竖直向上的拉力,若A与斜面间有弹力,则方向垂直于斜面指向左上方,物体A不可能保持静止,故D错误。
【补偿训练】“弹跳鞋” 源于中国高跷,由德国人研制开发,被全球媒体誉为“世界十大绿色发明之一”。该鞋运用仿生学原理,根据袋鼠的腿仿制而成。弹跳鞋是一种主要由弹簧操控变形的曲形弹跳器,它运动的形式是垂直地面的,可获得更好的跳跃和速跑能力。当人们穿着弹跳鞋获得向上的弹力时,关于该弹力,下列说法正确的是( )A.该弹力是弹簧发生拉伸形变产生的B.该弹力是弹簧发生压缩形变产生的C.该弹力是人的脚发生形变产生的D.该弹力的施力物体是地面【解析】选B。该弹力是由于弹簧发生压缩形变产生的,压缩产生向上的弹力,施力物体是弹簧,B正确。
主题三 弹力的方向 【生活情境】如图所示,瓶子放在桌面上,尝试画出弹力的方向。弹簧弹力的方向以及轻杆的弹力方向。
【问题探究】1.面与面接触中弹力的方向(1)如图甲所示,把装有水的瓶子放在桌面上。瓶子受到的弹力是由哪个物体发生形变而产生的?方向如何?提示:瓶子受到的弹力是桌面发生形变而产生的,方向垂直桌面向上。(2)桌面受到的弹力是由哪个物体发生形变而产生的?方向如何?试在图甲中分别画出瓶子和桌面受到的弹力。提示:桌面受到的弹力是瓶子发生形变而产生的,方向垂直桌面向下,力的示意图如图所示。
2.弹簧弹力的方向:(1)如图乙、丙所示,在弹簧下端和弹簧上端分别固定物块m,都处于静止状态。乙图中弹簧对物块的弹力沿什么方向?提示:乙图中弹簧被拉伸,所以弹簧弹力方向竖直向上,指向弹簧收缩的方向。(2)丙图中弹簧对物块的弹力沿什么方向?提示:丙图中弹簧被压缩,所以弹簧弹力方向竖直向上,背离弹簧压缩的方向。
3.轻杆中的弹力方向:丁图中三个重物均静止,则杆A、B、C的弹力方向如何?请分析并画出弹力的示意图。提示:丁图中A杆给重物的弹力F类同于绳子的作用,为拉力,方向沿杆向上,如图a所示;丁图中B杆给重物的弹力F类同于支持力,方向沿杆向上,如图b所示;丁图中C杆给重物的弹力F并不沿着杆,根据二力平衡判断出F的方向应竖直向上,如图c所示。
【结论生成】1.几种常见弹力的方向:
2.判断弹力方向的一般步骤:(1)判定物体之间弹力作用的类型。(2)判定产生弹力的物体。(3)判定物体形变的方向。(4)判定物体产生的弹力方向。
3.杆、弹簧与非弹性绳受力特点比较:
【典例示范】请在图中画出杆或球所受的弹力。(a)杆靠在墙上。(b)杆放在半球形的槽中。(c)球用细线悬挂在竖直墙上。(d)点1、2、3都可能是球的重心位置,点2是球心,1、2、3点在同一竖直线上。
【解题指南】解答本题时应明确以下三点:(1)若为面面(或曲面)接触,弹力垂直于面。(2)绳上弹力沿绳并指向绳收缩方向。(3)与球面接触的弹力方向延长线或反向延长线过球心。
【解析】本题考查对弹力方向的判定,关键是熟悉各种接触中的弹力方向。(a)杆在重力作用下对A、B两处都产生挤压作用,故A、B两处对杆都有弹力,弹力方向与接触点的平面垂直。如图甲所示。(b)杆对C、D两处都有挤压作用,因C处为曲面,D处为支撑点,所以C处弹力垂直于其切面指向球心,D处弹力垂直于杆斜向上。如图乙所示。(c)球挤压墙壁且拉紧绳子,所以墙对球的弹力与墙面垂直;绳子对球的弹力沿绳子斜向上。如图丙所示。(d)当重心不在球心处时,弹力作用也必通过球心2,如图丁所示。应注意不要错误地认为弹力作用线必定通过球的重心。答案:见解析图
【素养训练】1.体育课上一学生将足球踢向斜台,如图所示。下列关于斜台给足球的弹力方向的说法正确的是( ) A.沿v1的方向B.先沿v1的方向后沿v2的方向C.沿v2的方向D.沿垂直于斜台斜向左上方的方向【解析】选D。支持力是弹力,方向总是垂直于接触面,并指向被支持物,所以斜台给足球的弹力的方向为垂直斜台向左上方方向。D符合题意,A、B、C不符合题意。
2.一杆搁在矮墙上,关于杆受到的弹力的方向,图中正确的是( ) 【解析】选D。FN1的方向没有垂直于杆,A不符合题意;FN1的方向没有垂直于杆,而FN2的方向没有垂直于接触面,B不符合题意;FN2的方向没有垂直于接触面,C不符合题意;两力均垂直于接触面,并指向受力物体,D符合题意。
主题四 弹簧弹力的大小 【生活情境】如图所示,拉伸和压缩弹簧,观察弹簧形变现象。
【问题探究】1.图甲表示弹簧处于原长状态。图乙表示弹簧处于拉伸状态。图丙表示弹簧处于压缩状态。请结合甲、乙、丙图分析在公式F=kx中,x表示的是弹簧的长度吗?若不是,它表示什么意义?图甲中弹簧的原长为l0;图乙中在拉力F的作用下弹簧的长度为l1;图丙中在压力F′的作用下,弹簧的长度为l2,则F和F′分别等于多少?提示:不是。x表示的是弹簧伸长的长度或缩短的长度,而不是弹簧的长度,图乙中弹簧伸长量为(l1-l0),图丙中弹簧压缩量为(l0-l2),所以F=k(l1-l0), F′=k(l0- l2)。
2.弹簧弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx是否也成正比关系?试证明。提示:成正比。由于F1=kx1,F2=kx2,故ΔF=F2-F1=kx2-kx1=k(x2-x1)=kΔx,所以弹簧的弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx也成正比。
3.若以弹力和弹簧形变量分别作为纵轴和横轴建立F -x图像,图像的斜率表示什么物理意义?如果弹簧1、2的F -x 图像如图所示,哪根弹簧的劲度系数较大? 提示:由胡克定律F=kx可得k= ,所以F -x图像的斜率表示弹簧的劲度系数,斜率越大,劲度系数越大,弹簧越硬。由图可知:图像1的斜率较大,所以弹簧1的劲度系数较大。
【结论生成】1.F=kx的分析:(1)定律的适用条件:弹簧发生弹性形变且必须在弹性限度内。(2)表达式中的x的意义:弹簧的形变量,即弹簧伸长或缩短的长度,而不是弹簧的原长,也不是弹簧形变后的实际长度,同一弹簧伸长或压缩相同长度时,弹力大小相等,但方向不同。(3)表达式中的k的意义:弹簧的劲度系数,它反映了弹簧的“软”“硬”程度,是由弹簧本身的性质(材料、长度、粗细等)决定的。在国际单位制中k的单位为“N/m”。
2.F-x图像:根据胡克定律,可作出弹力F与形变量x的图像,如图所示,这是一条通过原点的倾斜直线,其斜率( )反映了k的大小,故胡克定律还可写成ΔF=kΔx,即弹力的变化量ΔF跟弹簧形变量的变化量Δx成正比。
【典例示范】如图所示为一轻质弹簧的长度l和弹力F大小的关系图像,试由图像确定: (1)弹簧的原长。(2)弹簧的劲度系数。(3)弹簧伸长10 cm时,其弹力的大小。
【解题指南】解答本题时应明确以下两点:(1)F -l图像中l的意义。(2)图线的斜率在数值上等于弹簧的劲度系数。
【解析】(1)由图知,当弹簧长度为10 cm时,弹力F=0,故弹簧的原长l0=10 cm。(2)由图可知,当弹力的变化量ΔF=10 N时,弹簧长度的变化量Δx=5 cm=0.05 m,由ΔF=k·Δx得k= N/m=200 N/m。(3)当x=10 cm=0.1 m时,由F=kx得F=200×0.1 N=20 N。答案:(1)10 cm (2)200 N/m (3)20 N
【规律方法】 弹力大小的计算(1)公式法:用F=kx计算(适用于弹簧类弹性物体弹力的计算)。(2)平衡法:如悬挂在竖直细绳上的物体处于静止状态时,物体受绳竖直向上的拉力和竖直向下的重力作用。根据二力平衡得到绳的拉力大小等于物体重力的大小。
【素养训练】1.锻炼身体用的拉力器,并列装有四根相同的弹簧,每根弹簧的自然长度都是40 cm,某人用600 N的力把它们拉长至1.6 m,则( )A.人的每只手受到拉力器的拉力为300 NB.每根弹簧产生的弹力为150 NC.每根弹簧的劲度系数为93.75 N/mD.每根弹簧的劲度系数为500 N/m【解析】选B。每只手的拉力均为600 N,A不符合题意;每根弹簧的弹力为 N=150 N,B正确;每根弹簧的劲度系数k= =125 N/m,C、D不符合题意。
2.一个实验小组在做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,使用了两根不同的轻质弹簧M和N,他们得到弹力与弹簧长度的关系图象如图所示,则由图可知( ) A.M的原长比N的长B.M的劲度系数比N的小C.M的劲度系数比N的大D.弹力与弹簧长度成正比【解析】选C。在F-l图象中,横截距表示弹簧的原长,故弹簧N的原长比M的长,A项错误;F-l图象的斜率表示弹簧的劲度系数k,故M的劲度系数比N的大,C项正确、B项错误;弹簧的弹力满足胡克定律,弹力与弹簧的形变量成正比,D项错误。
一、重力任务驱动 重心是物体上最重的一点吗?物体的重心一定在物体上吗?提示:不是。重心可以不在物体上,如篮球的重心不在篮球上。
1.产生:由于___________而使物体受到的力。2.大小:重力的计算公式是_____。3.方向:总是_________。4.重心:(1)定义:从效果上看,物体各部分受到的_____作用集中于一点。(2)重心位置决定因素:物体的_____和_________。
5.力和力的图示任务驱动 如图所示是手抛篮球的瞬间,手对篮球有没有力的作用? 提示:有,力的作用是相互的。
(1)力的作用效果:①使物体的_________发生变化。②使物体产生_____。(2)力的概念:物体与物体之间的_____作用。(3)力的两种表示:①力的图示:能表示出力的_____、_____和_______。②力的示意图:只能表示出力的_____和_______。
二、弹力1.弹性形变和弹力:(1)形变:物体在力的作用下_____或_____发生的改变。(2)弹力:由于要恢复原状,发生_____的物体对与它接触的物体产生的作用力。2.几种弹力:任务驱动 压力的方向一定竖直向下吗?提示:不一定。压力的方向总与接触面垂直指向被压的物体。
(1)常见的三种弹力: 图甲中,F1表示书对桌面的_____,F2表示桌面对书的_______;图乙表示绳的拉力,又叫绳的_____。(2)常见弹力的方向:①压力和支持力的方向都_____(选填“垂直”或“不垂直”)于物体的接触面。②绳的张力沿着绳指向_______的方向。
3.胡克定律:(1)弹性形变:发生形变的受力物体在外力撤除后能够_________的形变。(2)弹性限度:超过一定的限度,撤去外力后形变物体不能完全恢复原状。(3)内容:弹簧发生弹性形变时,弹力的大小F跟弹簧伸长(或缩短)的长度x成_____。(4)公式:F=___其中k为弹簧的劲度系数,单位:_________,符号____。
主题一 重力任务1 认识重力的产生和方向 【生活情境】情境1:体验观察树上苹果下落情景。情境2:工人砌墙时以及检测墙壁时,经常用到重垂线。
【问题探究】 (1)如图所示,为什么树上的苹果总要落向地面?提示:苹果落向地面是因为受到地球的吸引而产生的重力作用。(2)为什么使用重垂线可以检测墙壁是否竖直?提示:重垂线能检测墙壁是否竖直的原理是重力的方向是竖直向下的。重锤静止时,悬挂重锤的细线方向一定是竖直方向的,如果墙壁与细线平行,就说明墙壁是竖直的,没有倾斜。
任务2 力的图示和力的示意图【生活情境】 如图所示,物体A对物体B的压力为20 N。
【问题探究】 (1)怎样画出A对B的压力的图示?提示:①选取标度。选取某一长度的线段表示5 N的力,如图所示。②从力的作用点O沿竖直方向画一线段,线段的长度为标度的4倍,并在线段上加上刻度。③在线段端点处加上箭头,表示力的方向,如图所示。
(2)怎样画出A对B的压力的示意图?提示:沿力的方向画一条适当长度的带箭头的线段,主要表示出力的作用点和方向,线段的长度与力的大小不存在严格的比例关系。
【结论生成】1.重力的产生:(物理观念)(1)地面附近一切物体都受到地球的吸引,由于地球的吸引而使物体受到的力叫作重力。(2)在同一地点,重力的大小与质量成正比,即G=mg。2.重力的方向:(物理观念)(1)重力的方向总是竖直向下的,可利用重垂线确定其方向。(2)只有在两极或赤道时,重力的方向才指向地心,其他位置并不指向地心。(3)重力的方向不受其他作用力的影响,与运动状态也没有关系。
3.力的图示和力的示意图的区别:(物理观念)
【典例示范】 下列关于力的说法中正确的是( )A.任何性质的力都有施力物体,但不一定有受力物体B.重力是任何物体本身就具有的,与地球无关C.力的大小、方向、作用点,是影响力的作用效果的三要素D.有力作用在物体上,物体的运动状态一定改变【解析】选C。任何力均有施力物体和受力物体,故A错误;重力是物体和地球之间的相互作用而产生的,不是物体本身具有的,故B错误;力的大小、方向和作用点是影响力的作用效果的三要素,故C正确;力可以改变物体的运动状态或使物体发生形变,故不一定是改变物体的运动状态,D错误。
【素养训练】1.关于重力,以下说法正确的是( )A.重力的方向总是垂直地面向下的B.重力是物体的固有属性,不随物体位置的改变而改变C.形状规则的物体的重心,不一定在它的几何中心上D.挂在绳上静止的物体,它受到的重力就是绳对它的拉力【解析】选C。重力的方向总是竖直向下的,不能说重力的方向总是垂直地面向下的,故A错误;质量是物体的一种属性,而重力不是,物体的重力会随物体在地球上位置的改变而改变,故B错误;形状规则的物体,若质量分布不均匀,则物体的重心也不一定在它的几何中心,故C正确;挂在绳上静止的物体,它受到的重力等于绳对它的拉力——二力平衡,但不能说它受到的重力就是绳对它的拉力,因为二者产生的原因、方向都不同,故D错误。
2.一质量为0.6 kg的物体放在倾角为30°的斜面上,用与斜面平行的、大小为8 N的力F拉着它沿斜面向上运动,如图所示,画出拉力和重力的图示。(g取10 m/s2)
【解析】重力是由地球的吸引而产生的,大小为G=mg=0.6 kg×10 N/kg=6 N,方向竖直向下,重力的作用点在物体的重心上,重力与是否受其他力及运动状态无关。掌握画力的图示的正确方法,特别注意同一个力的图示中要使用同一个标度。答案:如图所示
【补偿训练】 在世界壮汉大赛上有拉汽车前进的一项比赛,如图是某壮汉正通过绳索拉汽车运动。则汽车所受拉力的施力物体和受力物体分别是( )A.壮汉、汽车 B.壮汉、绳索C.绳索、汽车D.汽车、绳索【解析】选C。要研究的是汽车,直接对汽车产生拉力的是绳索而不是壮汉,汽车所受拉力是绳索和汽车之间的相互作用,故其施力物体是绳索,受力物体是汽车,所以选项C正确。
主题二 弹力的产生条件 任务1 观察微小形变 【生活情境】用手挤压玻璃瓶,观察液面变化;用手按压桌面,观察墙壁上光点移动情况。
【问题探究】 (1)如图甲所示,用力挤压玻璃瓶身,细管中的水面会上升,松手后水面下降。细管中水面的变化说明了什么?提示:甲图中细管中水面的变化说明了玻璃瓶发生了形变。(2)如图乙所示,在一张大桌子上放两个平面镜M和N,让一束光依次被两面镜子反射,最后射到墙上,形成一个光点P。用力压桌面,观察到墙上光点的位置会发生变化。思考光点位置的变化说明了什么?提示:乙图中当力F增大时,两镜面均向里倾斜,使入射角减小,经两次累积,使反射光线的反射角更小,光点P下移;同理,若力F减小,光点P上移。光点位置的变化说明了桌面发生了形变。
(3)由上述两个实验说明什么?提示:任何物体在力的作用下,都会产生形变,只是有的形变明显,有的形变不明显。上述两个实验均采用了“放大法”显示微小形变的原理。
任务2 弹性形变【实验情境】如图所示,用力将弹簧拉伸和用手挤压面包,松手后,观察现象。
【问题探究】 (1)在图甲中,用力可以将弹簧拉长,松手后会怎么样?提示:松手后弹簧会恢复原状。(2)在图乙中,用力可以将面包挤扁,松手后会怎么样?提示:松手后面包不会恢复原状。(3)弹簧和面包的形状变化有什么特点?提示:①弹簧形变的特点是:形变后撤去外力就能恢复原状,属于弹性形变。②面包形变的特点是:形变后撤去外力不能恢复原状,属于非弹性形变。
任务3 弹力的产生 【生活情境】如图所示,设置了如下四种情境。
【问题探究】 (1)如图甲所示:物体A、B并排静止在光滑水平面上,A、B之间有弹力吗?提示:在图甲中,若移走物体A,物体B仍然静止,或者移走物体B,物体A仍然静止,说明虽然A、B接触,但相互之间没有弹力的作用。(2)如图乙所示:光滑物体C、D叠放在光滑水平面上,处于静止状态,C、D之间有弹力吗?提示:在图乙中,如果将物体D快速撤出,物体C会立即下落,这说明D阻止了C的下落,说明C、D之间有弹力的作用。
(3)如图丙所示,在光滑水平面上,用力推动小车向左压弹簧,弹簧对小车有弹力作用吗?提示:松手后,压缩弹簧的小车被弹出,这说明弹簧对小车有弹力作用。(4)如图丁所示,用力推动小车向左压橡皮泥,松手后橡皮泥对小车还有弹力作用吗?提示:压缩橡皮泥的小车不被弹出,这说明橡皮泥对小车没有弹力作用。
(5)弹簧和橡皮泥分别发生的形变有什么特点?①弹簧形变的特点是:__________________________________________;②橡皮泥形变的特点是:________________________________________________。(6)从上述问题中,我们可以得出弹力产生的条件是什么?产生弹力的条件:_______________;___________________。
弹簧形变后撤去外力能恢复原状,属于弹性形变
橡皮泥形变后撤去外力不能恢复原状,属于非弹性形变
【结论生成】1.形变:
3.判断弹力是否存在的两种方法:(1)定义法。根据弹力产生的条件直接进行判断,如果具备弹力产生的“两个条件”,则接触面之间存在弹力,否则,不存在弹力。(2)假设法。①假设无弹力:假设物体在某一接触处不存在弹力,看物体是否在该位置保持原来的状态,从而判断物体在该处是否受到弹力作用。②假设有弹力:就是假设与研究对象接触的物体对研究对象施加了弹力,画出假设状态下的受力图,判断受力情况与原来状态是否矛盾,若矛盾,则不存在弹力,若不矛盾,则此弹力存在。
【拓展延伸】用放大法观察物体的微小形变(1)观察圆玻璃瓶的微小形变。如图所示,取一个圆玻璃瓶,里面盛满水,用穿有透明细管的橡皮塞封口,使水面位于细管中,用手捏玻璃瓶,玻璃瓶发生形变,容积减小,水受挤压,细管中水面上升,松开手后,形变恢复,水面落回原处。
(2)观察扁玻璃瓶的微小形变。将(1)中的圆玻璃瓶换成扁玻璃瓶,其横截面为矩形,如图甲所示,如果用手沿图乙方向挤压玻璃瓶,玻璃瓶发生形变,容积减小,可观察到细管中水面上升;如果用手沿图丙方向挤压玻璃瓶,玻璃瓶发生形变,容积增大,可观察到细管中水面下降,松手后,形变恢复,水面回到原位置。(3)设计这个实验的原理是放大法,在有些现象、变化、待测量十分微小的情况下,往往采用放大法,物理学中不少重大发现利用了放大法。
【典例示范】如图所示,半径不同的P、Q两球紧靠着并静止放置在光滑的水平地面上,下列说法正确的是( ) A.P、Q两球之间存在有弹力B.球对水平地面的压力就是球所受的重力C.球对水平地面的压力是球发生微小形变产生的D.球受到水平地面的支持力是球发生微小形变产生的【解析】选C。对Q受力分析,若P对Q有弹力,Q不会处于静止状态,所以A错误;压力大小等于重力,但是它们性质不同,所以B错误;所有压力都是由形变产生的,球发生微小形变对水平地面有压力,所以C正确;球受到水平地面的支持力是水平地面发生微小形变产生的,所以D错误。
【素养训练】1.2019年3月7日,国际泳联世界跳水系列赛北京站比赛中,曹缘搭档谢思埸获得双人三米跳板冠军。如图所示为曹缘与谢思埸的跳水起跳动作。下列说法正确的是( )A.跳板发生形变,运动员的脚没有发生形变B.跳板和运动员的脚都发生了形变C.运动员受到的支持力,是运动员的脚发生形变而产生的D.跳板受到的压力,是跳板发生形变而产生的【解析】选B。运动员起跳时,跳板和运动员的脚都会受到力的作用,所以都会发生形变,A项错误,B项正确;运动员受到的支持力,是跳板发生形变产生的,C项错误;跳板受到的压力,是运动员的脚发生形变产生的,D项错误。
2.(多选)如图所示,图中的物体A均处于静止状态。下列关于弹力的说法正确的是( ) A.图甲中地面是光滑水平的,A与B间存在弹力B.图乙中两斜面与水平地面的夹角分别为α、β,A对两斜面均有压力的作用C.图丙中A受到斜面B对它的弹力的作用D.图丁中A受到斜面B对它的弹力的作用
【解析】选B、C。图甲中, A物体一定受到竖直向下的重力和地面竖直向上的支持力,因为A物体静止,所以不可能再受到B对A斜向右下方的弹力作用,故A错误;图乙中,若除去左侧的斜面,A将运动,若去掉右侧的斜面,A也将运动,所以两斜面对A物体均有支持力作用,故B正确;图丙中,A受到竖直向下的重力,细线对A的拉力,方向沿细线斜向右上方,为保持静止,A一定受到斜面B对它的支持力,方向垂直于斜面指向左上方,故C正确;图丁中,A一定受到竖直向下的重力,细线对A竖直向上的拉力,若A与斜面间有弹力,则方向垂直于斜面指向左上方,物体A不可能保持静止,故D错误。
【补偿训练】“弹跳鞋” 源于中国高跷,由德国人研制开发,被全球媒体誉为“世界十大绿色发明之一”。该鞋运用仿生学原理,根据袋鼠的腿仿制而成。弹跳鞋是一种主要由弹簧操控变形的曲形弹跳器,它运动的形式是垂直地面的,可获得更好的跳跃和速跑能力。当人们穿着弹跳鞋获得向上的弹力时,关于该弹力,下列说法正确的是( )A.该弹力是弹簧发生拉伸形变产生的B.该弹力是弹簧发生压缩形变产生的C.该弹力是人的脚发生形变产生的D.该弹力的施力物体是地面【解析】选B。该弹力是由于弹簧发生压缩形变产生的,压缩产生向上的弹力,施力物体是弹簧,B正确。
主题三 弹力的方向 【生活情境】如图所示,瓶子放在桌面上,尝试画出弹力的方向。弹簧弹力的方向以及轻杆的弹力方向。
【问题探究】1.面与面接触中弹力的方向(1)如图甲所示,把装有水的瓶子放在桌面上。瓶子受到的弹力是由哪个物体发生形变而产生的?方向如何?提示:瓶子受到的弹力是桌面发生形变而产生的,方向垂直桌面向上。(2)桌面受到的弹力是由哪个物体发生形变而产生的?方向如何?试在图甲中分别画出瓶子和桌面受到的弹力。提示:桌面受到的弹力是瓶子发生形变而产生的,方向垂直桌面向下,力的示意图如图所示。
2.弹簧弹力的方向:(1)如图乙、丙所示,在弹簧下端和弹簧上端分别固定物块m,都处于静止状态。乙图中弹簧对物块的弹力沿什么方向?提示:乙图中弹簧被拉伸,所以弹簧弹力方向竖直向上,指向弹簧收缩的方向。(2)丙图中弹簧对物块的弹力沿什么方向?提示:丙图中弹簧被压缩,所以弹簧弹力方向竖直向上,背离弹簧压缩的方向。
3.轻杆中的弹力方向:丁图中三个重物均静止,则杆A、B、C的弹力方向如何?请分析并画出弹力的示意图。提示:丁图中A杆给重物的弹力F类同于绳子的作用,为拉力,方向沿杆向上,如图a所示;丁图中B杆给重物的弹力F类同于支持力,方向沿杆向上,如图b所示;丁图中C杆给重物的弹力F并不沿着杆,根据二力平衡判断出F的方向应竖直向上,如图c所示。
【结论生成】1.几种常见弹力的方向:
2.判断弹力方向的一般步骤:(1)判定物体之间弹力作用的类型。(2)判定产生弹力的物体。(3)判定物体形变的方向。(4)判定物体产生的弹力方向。
3.杆、弹簧与非弹性绳受力特点比较:
【典例示范】请在图中画出杆或球所受的弹力。(a)杆靠在墙上。(b)杆放在半球形的槽中。(c)球用细线悬挂在竖直墙上。(d)点1、2、3都可能是球的重心位置,点2是球心,1、2、3点在同一竖直线上。
【解题指南】解答本题时应明确以下三点:(1)若为面面(或曲面)接触,弹力垂直于面。(2)绳上弹力沿绳并指向绳收缩方向。(3)与球面接触的弹力方向延长线或反向延长线过球心。
【解析】本题考查对弹力方向的判定,关键是熟悉各种接触中的弹力方向。(a)杆在重力作用下对A、B两处都产生挤压作用,故A、B两处对杆都有弹力,弹力方向与接触点的平面垂直。如图甲所示。(b)杆对C、D两处都有挤压作用,因C处为曲面,D处为支撑点,所以C处弹力垂直于其切面指向球心,D处弹力垂直于杆斜向上。如图乙所示。(c)球挤压墙壁且拉紧绳子,所以墙对球的弹力与墙面垂直;绳子对球的弹力沿绳子斜向上。如图丙所示。(d)当重心不在球心处时,弹力作用也必通过球心2,如图丁所示。应注意不要错误地认为弹力作用线必定通过球的重心。答案:见解析图
【素养训练】1.体育课上一学生将足球踢向斜台,如图所示。下列关于斜台给足球的弹力方向的说法正确的是( ) A.沿v1的方向B.先沿v1的方向后沿v2的方向C.沿v2的方向D.沿垂直于斜台斜向左上方的方向【解析】选D。支持力是弹力,方向总是垂直于接触面,并指向被支持物,所以斜台给足球的弹力的方向为垂直斜台向左上方方向。D符合题意,A、B、C不符合题意。
2.一杆搁在矮墙上,关于杆受到的弹力的方向,图中正确的是( ) 【解析】选D。FN1的方向没有垂直于杆,A不符合题意;FN1的方向没有垂直于杆,而FN2的方向没有垂直于接触面,B不符合题意;FN2的方向没有垂直于接触面,C不符合题意;两力均垂直于接触面,并指向受力物体,D符合题意。
主题四 弹簧弹力的大小 【生活情境】如图所示,拉伸和压缩弹簧,观察弹簧形变现象。
【问题探究】1.图甲表示弹簧处于原长状态。图乙表示弹簧处于拉伸状态。图丙表示弹簧处于压缩状态。请结合甲、乙、丙图分析在公式F=kx中,x表示的是弹簧的长度吗?若不是,它表示什么意义?图甲中弹簧的原长为l0;图乙中在拉力F的作用下弹簧的长度为l1;图丙中在压力F′的作用下,弹簧的长度为l2,则F和F′分别等于多少?提示:不是。x表示的是弹簧伸长的长度或缩短的长度,而不是弹簧的长度,图乙中弹簧伸长量为(l1-l0),图丙中弹簧压缩量为(l0-l2),所以F=k(l1-l0), F′=k(l0- l2)。
2.弹簧弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx是否也成正比关系?试证明。提示:成正比。由于F1=kx1,F2=kx2,故ΔF=F2-F1=kx2-kx1=k(x2-x1)=kΔx,所以弹簧的弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx也成正比。
3.若以弹力和弹簧形变量分别作为纵轴和横轴建立F -x图像,图像的斜率表示什么物理意义?如果弹簧1、2的F -x 图像如图所示,哪根弹簧的劲度系数较大? 提示:由胡克定律F=kx可得k= ,所以F -x图像的斜率表示弹簧的劲度系数,斜率越大,劲度系数越大,弹簧越硬。由图可知:图像1的斜率较大,所以弹簧1的劲度系数较大。
【结论生成】1.F=kx的分析:(1)定律的适用条件:弹簧发生弹性形变且必须在弹性限度内。(2)表达式中的x的意义:弹簧的形变量,即弹簧伸长或缩短的长度,而不是弹簧的原长,也不是弹簧形变后的实际长度,同一弹簧伸长或压缩相同长度时,弹力大小相等,但方向不同。(3)表达式中的k的意义:弹簧的劲度系数,它反映了弹簧的“软”“硬”程度,是由弹簧本身的性质(材料、长度、粗细等)决定的。在国际单位制中k的单位为“N/m”。
2.F-x图像:根据胡克定律,可作出弹力F与形变量x的图像,如图所示,这是一条通过原点的倾斜直线,其斜率( )反映了k的大小,故胡克定律还可写成ΔF=kΔx,即弹力的变化量ΔF跟弹簧形变量的变化量Δx成正比。
【典例示范】如图所示为一轻质弹簧的长度l和弹力F大小的关系图像,试由图像确定: (1)弹簧的原长。(2)弹簧的劲度系数。(3)弹簧伸长10 cm时,其弹力的大小。
【解题指南】解答本题时应明确以下两点:(1)F -l图像中l的意义。(2)图线的斜率在数值上等于弹簧的劲度系数。
【解析】(1)由图知,当弹簧长度为10 cm时,弹力F=0,故弹簧的原长l0=10 cm。(2)由图可知,当弹力的变化量ΔF=10 N时,弹簧长度的变化量Δx=5 cm=0.05 m,由ΔF=k·Δx得k= N/m=200 N/m。(3)当x=10 cm=0.1 m时,由F=kx得F=200×0.1 N=20 N。答案:(1)10 cm (2)200 N/m (3)20 N
【规律方法】 弹力大小的计算(1)公式法:用F=kx计算(适用于弹簧类弹性物体弹力的计算)。(2)平衡法:如悬挂在竖直细绳上的物体处于静止状态时,物体受绳竖直向上的拉力和竖直向下的重力作用。根据二力平衡得到绳的拉力大小等于物体重力的大小。
【素养训练】1.锻炼身体用的拉力器,并列装有四根相同的弹簧,每根弹簧的自然长度都是40 cm,某人用600 N的力把它们拉长至1.6 m,则( )A.人的每只手受到拉力器的拉力为300 NB.每根弹簧产生的弹力为150 NC.每根弹簧的劲度系数为93.75 N/mD.每根弹簧的劲度系数为500 N/m【解析】选B。每只手的拉力均为600 N,A不符合题意;每根弹簧的弹力为 N=150 N,B正确;每根弹簧的劲度系数k= =125 N/m,C、D不符合题意。
2.一个实验小组在做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,使用了两根不同的轻质弹簧M和N,他们得到弹力与弹簧长度的关系图象如图所示,则由图可知( ) A.M的原长比N的长B.M的劲度系数比N的小C.M的劲度系数比N的大D.弹力与弹簧长度成正比【解析】选C。在F-l图象中,横截距表示弹簧的原长,故弹簧N的原长比M的长,A项错误;F-l图象的斜率表示弹簧的劲度系数k,故M的劲度系数比N的大,C项正确、B项错误;弹簧的弹力满足胡克定律,弹力与弹簧的形变量成正比,D项错误。
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