高一物理课件（广东专用）：3.1《探究形变与弹力的关系》（粤教必修一）

欢迎进入物理课堂 1 用手拉伸和压缩弹簧 弹簧的形状发生怎样的变化 撑杆跳高时 杆发生什么变化 把麻拧成绳子时麻绳的形变怎样 提示 用手拉伸和压缩弹簧 弹簧的形变会伸长和缩短 撑杆跳高时 杆发生弯曲形变 把麻拧成绳子时 麻绳发生扭曲形变 2 力可以使物体发生形变 为什么有的形变却很难观察到呢 如何才能观察到比较微小的形变呢 提示 物体在外力的作用下都能发生形变 只是形变的程度不同 有的形变比较明显 如弹簧的伸长或缩短 可以直接看出 有的形变微小 需要采用特殊方法才可观察到 如利用激光反射法演示坚硬桌面的微小形变 利用细管中液面的升降显示硬玻璃瓶的形变 都是把微小形变放大 以便于观察 把微小变化放大 以便于观察或测量的实验方法叫 微量放大法 这是物理学中研究问题的一种重要方法 3 用手拉伸和压缩弹簧 弹簧的形状发生变化 用手捏橡皮泥 橡皮泥的形状发生变化 物体形状发生变化的原因是什么 弹簧和橡皮泥形状的变化有什么不同 提示 弹簧发生形变的原因是弹簧受到了手的拉力或压力的作用 橡皮泥发生形变的原因是受到手的压力作用 弹簧和橡皮泥在撤去外力后 弹簧能恢复原状 发生的是弹性形变 而橡皮泥不能恢复原状 发生的是范性形变 4 试观察教材P51图3 1 5铁块使泡沫塑料产生形变 分析泡沫对铁块产生的作用力的方向 同理分析铁块形变的情况及其对泡沫的作用力的方向 提示 泡沫在铁块的作用下发生下凹形变 泡沫要恢复原来状态对铁块产生的弹力作用方向向上 该力作用在铁块上 即泡沫对铁块的支持力 同理铁块形变要恢复原状会对泡沫产生力的作用 作用在泡沫上 方向向下 即铁块对泡沫的压力 5 试观察教材P52图3 1 6 分析安全绳的形变情况和人的形变情况 提示 安全绳在人的作用下被拉伸 安全绳要恢复原状 会对人有沿绳收缩方向的拉力作用 该力作用在人上 同理人被绳子拉伸 人要恢复原状 会对绳产生拉力作用 该力作用在绳上 方向沿绳斜向下 形变的分类 1 按形变后能否恢复原状可分为 弹性形变和范性形变 形变后能够完全恢复原状的形变叫弹性形变 形变后不能恢复原状的形变叫范性形变 2 按形变的外观形式可分为 拉伸形变 压缩形变 弯曲形变和扭曲形变等 弹力产生的原因相互作用的两个物体 由于彼此挤压或拉伸 都发生了弹性形变 在恢复原状的过程中 都会对彼此产生弹力的作用 若以其中的一个物体为研究对象 受力物体 它所受到的弹力是由于另一个物体 施力物体 发生弹性形变 在恢复原状的过程中产生的 弹力的施力物体是发生弹性形变的物体 总之弹力的产生原因就是 发生弹性形变的物体 由于要恢复原状 在恢复原状的过程中 对跟它接触的物体产生了弹力作用 认识形变和弹力1 形变及其种类 1 形变 物体的形状发生变化 2 形变种类 压缩形变 拉伸形变 弯曲形变 扭曲形变 2 微小形变显示方法 微量放大法 3 弹性与弹性限度 1 弹性 发生形变的物体具有恢复原状的性质 2 弹性形变 在外力停止作用后 能够恢复原状的形变 3 弹性限度 撤去使物体发生形变的外力 物体形状不能完全恢复 我们称这种现象为超过了物体的弹性限度 4 弹力 1 定义 发生形变的物体 由于要恢复原状 会对跟它接触的物体产生的作用力 2 产生的条件 物体间直接接触 物体发生弹性形变 典例1 2011 哈尔滨高一检测 如图所示 下列四个图中 a b两小球间一定有弹力作用的是 规范解答 选B 对于A C中的a b两球 如果把a球或b球去掉 另一个球的状态均可保持不变 所以a b两球之间无弹力 对于B中 若去掉a球或b球 另一个球的悬线方向会发生改变 故a b两球之间一定有弹力 对于D中 若去掉a球 如果b球的状态保持不变 则a b两球之间无弹力 如果b球的状态发生变化 则a b间有弹力作用 所以选B 弹力产生的条件弹力的产生必须满足两个条件 1 两物体直接接触 2 发生弹性形变 变式备选 如图所示 一小球用两根轻绳悬挂于天花板上 球静止 绳1倾斜 绳2恰好竖直 则小球所受的作用力有 A 1个B 2个C 3个D 4个 解析 选B 在判断绳1和绳2是否有拉力时 可用撤离法 即分别撤去轻绳1和轻绳2 看小球的状态是否变化 如果把一条轻绳去掉后 小球可以保持原来的状态不变 则该绳上无拉力 若小球的状态发生变化 则该绳上有拉力 经分析知 绳1对小球无拉力作用 小球受到重力和绳2对小球的拉力而处于平衡状态 即小球受到两个力的作用 故B正确 1 如图所示 棒 球 桌子 物块m均处于静止状态 思考讨论以下问题 1 画出棒 球 桌面 物块m所受弹力的示意图 提示 2 结合上图 完成下面的表格 并尝试分析 弹力方向和形变方向及形变恢复的方向的关系 填 相同 或 相反 提示 弹力方向与形变方向的关系 弹力的方向总是与施力物体的形变方向相反 与受力物体的形变方向相同 2 从上述探究过程中总结我们在判断弹力方向时应遵循的基本思路 提示 在判断弹力方向时常常按如下思路分析 1 确定受到弹力的物体 2 确定施力物体或受力物体形变的方向 3 确定弹力的方向 知识归纳 弹力的方向1 常见的弹力方向 1 支持力的方向垂直于接触面 指向被支持的物体 2 压力的方向垂直于接触面 指向被压的物体 3 绳上拉力的方向沿着绳 指向绳收缩的方向 4 弹簧上的弹力沿着弹簧 指向弹簧恢复原长的方向 2 弹力方向与形变方向的关系弹力的方向总是与施力物体的形变方向相反 与受力物体的形变方向相同 常见的弹力接触面 1 平面 平面接触 弹力方向垂直于平面 2 点 平面接触 弹力方向过点垂直于平面 3 点 曲面接触 弹力方向过点垂直于切面 4 曲面 曲面接触 弹力方向垂直于公切面 5 接触面是球面时 弹力方向一定沿过接触点和球心的连线 确定弹力方向的方法 1 根据物体的形变方向判断 弹力方向与施力物体形变方向相反 作用在受力物体上 轻绳的弹力方向沿绳收缩的方向 离开受力物体 面与面 点与面接触时 弹力方向垂直于面 若是曲面则垂直于切面 且指向受力物体 球面与球面的弹力沿半径方向 且指向受力物体 弹簧两端的弹力方向与弹簧中心轴线重合 指向弹簧恢复原状的方向 轻杆的弹力可沿杆的方向 也可不沿杆的方向 2 根据物体的运动情况 结合物体的运动状态 利用二力平衡判断弹力的方向 典例2在如图所示的图中画出物体P受到的各接触点或面对它的弹力的示意图 其中甲 乙 丁中物体P处于静止状态 丙中物体P 即球 在水平面上匀速滚动 规范解答 甲属于绳的拉力 应沿绳指向绳收缩的方向 因此弹力方向沿绳向上 乙中A点属于点与球面相接触 弹力应垂直于球面的切面斜向上 必过球心O B点属于点与杆相接触 弹力应垂直于杆向上 丙中小球P不管运动与否 都是属于平面与球面相接触 弹力应垂直于平面 且过球心 即向上 丁中属于杆的弹力 小球受到重力和杆的弹力 处于二力平衡状态 故弹力方向竖直向上 它们所受弹力的示意图如图所示 弹力有无的判断方法 1 直接法 对于形变效果明显的情况 可由形变情况直接判断弹力的存在与否 如弹簧 橡皮筋等产生弹力的情况 2 假设法 就是假设对与研究对象接触的物体施加了弹力 画出假设状态下的受力图 判断受力情况与物体的状态是否矛盾 若矛盾 说明两者之间无弹力 若不矛盾 说明两者之间有弹力 3 撤离法 就是想象把与研究对象接触的物体撤离 看研究对象的状态是否发生改变 若改变 说明有弹力 若不改变 则无弹力 变式备选 2011 西安高一检测 如图 球A在斜面上 被竖直挡板挡住而处于静止状态 关于球A所受的弹力 以下说法正确的是 A 球A仅受一个弹力作用 弹力的方向垂直斜面向上B 球A受两个弹力作用 一个水平向左 一个垂直斜面向下C 球A受两个弹力作用 一个水平向右 一个垂直斜面向上D 球A受三个弹力作用 一个水平向右 一个垂直斜面向上 一个竖直向下 解析 选C 球A受的重力竖直向下 对竖直挡板和斜面都有挤压 斜面给它一个支持力 垂直斜面向上 挡板给它一个支持力 水平向右 故选项C正确 实验探究 利用如图所示的装置 用悬挂法探究弹力和弹簧伸长的关系 进行实验并探究讨论以下问题 1 实验中要测量弹簧的原长L0 测量弹簧的原长时是将弹簧平放在桌面上还是悬挂起来 提示 我们的实验目的是研究弹簧的弹力与弹簧伸长量的定量关系 要想确定弹簧伸长量 就必须测量弹簧的原长 自然长度 L0和弹簧的现长L 则弹簧的伸长量x L L0 由于弹簧的自身重力会影响弹簧的长度 所以测量弹簧的原长时应将其悬挂起来后测量 2 用如图所示的装置进行实验并完成表格 根据所得的数据 你能得到什么结论 提示 根据表中数据可得 弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比 3 在该实验中 如何用图象描述弹簧的弹力和伸长量的关系 该图象有何特点 说明弹力和伸长量成什么关系 图象斜率的意义是什么 提示 1 建立坐标系 以纵坐标表示弹力F 以横坐标表示弹簧的伸长量x 在坐标系中描出实验所测得的各组 x F 对应的点 用平滑的曲线连接起来 根据实验所得的图线 就可探知弹力与伸长量间的关系 如图所示 2 所得图象为过原点的倾斜直线 说明弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比 3 斜率表示弹簧的劲度系数 4 根据胡克定律的表达式F kx得k 能否说劲度系数k与F成正比 与x成反比 提示 不能 k 只是劲度系数的计算式 并非决定式 劲度系数由弹簧本身的性质决定 如弹簧的材料 长短 粗细等 与弹力和形变量无关 即使弹簧没有发生形变 弹簧上没有弹力 该弹簧的劲度系数也不变 实验中的注意事项在探究弹力和弹簧伸长的关系时应注意的问题 1 所挂钩码不要过重 以免弹簧被过分拉伸 超出它的弹性限度 要注意观察 适可而止 2 每次所挂钩码的质量差尽量大一些 从而使坐标上描的点尽可能稀一些 这样做出的图线精确 3 测弹簧长度时 一定要在弹簧竖立悬挂且处于平衡状态时测量 刻度尺要保持竖直并靠近弹簧 以减小误差 4 描点画线时 所描的点不一定都落在一条直线上 但应注意尽可能使各点均匀分布在直线的两侧 5 记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位 典例3 2010 新课标全国卷 一根轻质弹簧一端固定 用大小为F1的力压弹簧的另一端 平衡时长度为l1 改用大小为F2的力拉弹簧 平衡时长度为l2 弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内 该弹簧的劲度系数为 A B C D 解答本题时应明确以下三点 1 弹簧的形变量x是弹簧相比原长时长度的变化量 2 弹簧伸长时 x等于弹簧的长度减去原长 3 弹簧压缩时 x等于弹簧的原长减去现长 规范解答 选C 设弹簧原长为l0 由胡克定律F kx 得压弹簧时 F1 k l0 l1 拉弹簧时 F2 k l2 l0 由 解得 k 故C正确 变式备选 某同学用一根弹簧和一把直尺来测量一物体受到的重力 如图所示 在未悬挂重物时指针正对刻度5 在弹性限度内 当挂上80N重物时 指针正对刻度45 若指针正对刻度20时 他所挂重物的重力是多大 解析 当弹簧下悬挂重物稳定后 弹簧的弹力与重物的重力相等 由胡克定律F kx 得解得答案 30N 1 在发生力的相互作用时 影响力的作用效果的因素有哪些 如何表示这些因素 提示 力的三要素共同决定力的作用效果 在物理学中可以准确地表示出力的三要素的方法是力的图示 2 力的图示和力的示意图的物理意义是什么 各在什么条件下应用 提示 1 力的图示的物理意义是把抽象的力直观 准确和形象地表现出来 在准确分析物体所受到的某一个力或这个力的作用效果时应用力的图示 2 力的示意图是定性表示物体的受力情况 一般在分析物体受几个力的作用时应用力的示意图 根据示意图可以确定物体受到几个力的作用 并能确定这几个力的方向 画力的图示的步骤 选定合适的标度 画一个方块或一个点表示受力物体 并确定力的作用点 从力的作用点开始 沿力的作用方向画一线段 根据所选标度和力的大小确定线段的长度 并在线段上加上刻度 垂直于力的线段的小短线 在表示力的线段的末端画上箭头表示力的方向 在箭头的旁边标出表示这个力的字母和数值 典例4重30N的木块浮在水面上 作出木块所受浮力的图示 并指出施力物体和受力物体 再画出木块所受重力和浮力的示意图 解答本题要注意以下两点 1 用力的图示准确地表示出力的三要素 2 力的示意图是粗略表示力的三要素的 但在画力的示意图时 也应大致表示出力的大小关系 规范解答 由于木块浮在水面上 所受浮力的大小等于重力 也为30N 选取5mm的线段表示10N的力 把浮力的作用点画在木块的正中心 设这一点为O 从O点竖直向上画一条长为15mm的线段 表示浮力大小为30N 线段末端画出向上箭头表示浮力的方向向上 如图a所示 浮力的施力物体是水 受力物体是木块 木块受重力和浮力两个力作用 这两个力的示意图如图b所示 变式备选 一小车在水平路面上向左运动 它受到了8N的水平向左的拉力和4N的阻力 请画出小车受到这两个力的图示 解析 在作力的图示时 力的作用点可以画在重心上 并且要选取恰当的标度 本题中的两个力的大小分别为8N和4N 故可选取2N作为标度的大小 那么8N和4N的力的图示长度分别为标度的4倍和2倍 答案 如图所示 典例5一个实验小组在 探究弹力和弹簧伸长的关系 的实验中 使用两条不同的轻质弹簧a和b 得到弹力与弹簧长度的图象如图所示 下列表述正确的是 A a的原长比b的长B a的劲度系数比b的大C a的劲度系数比b的小D 测得的弹力与弹簧的长度成正比 思路点拨 解答本题时应明确以下两点 1 F l图象斜率的物理意义 2 F l图象截距的物理意义 规范解答 选B 当F 0时的长度为弹簧的原长 由题图知l2 l1 故A错 图线的斜率等于弹簧的劲度系数 故B正确 C错 弹簧的弹力与形变的长度成正比 故D错 1 双选 据悉 我国新型多用途战机J 20歼击机已于2011年1月首飞成功 在战机J 20歼击机从滑行道起飞的过程中 战机与滑行道之间存在弹力的是 A 战机J 20歼击机静止在机场的滑行道上时B 战机J 20歼击机沿机场的滑行道滑行时C 战机J 20歼击机离开机场的滑行道的瞬间D 战机J 20歼击机在机场的滑行道上方飞行时 解析 选A B 弹力的产生有两个条件 直接接触和发生弹性形变 选项A B符合这两个条件 选项C不满足发生弹性形变的条件 选项D两个条件都不满足 2 玩具汽车停在模型桥面上 如图所示 下列说法正确的是 A 桥面受向下的弹力 是因为桥梁发生了弹性形变B 汽车没有发生形变 所以汽车不受弹力C 汽车受向上的弹力 是因为桥梁发生了弹性形变D 汽车受向上的弹力 是因为汽车发生了形变 解析 选C 弹力是物体发生形变对与其接触的物体施加的力 汽车受到桥梁向上的弹力 是由桥梁发生弹性形变产生的 桥面受到向下的弹力 是由汽车发生弹性形变产生的 故C正确 A B D错误 3 2011 连云港高一检测 关于弹力的方向 下列说法中正确的是 A 地面上的汽车对地面的压力垂直于地面指向汽车B 支持力的方向总是垂直于支持面而指向支持物体C 绳对物体拉力的方向不一定总是沿着绳D 绳对物体的拉力的方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向 解析 选D 压力 支持力的方向垂直于接触面指向受力物体 地面上的汽车对地面的压力作用于地面上 应是垂直于地面指向地面的 A错误 支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体 B错误 绳对物体的拉力的方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向 D正确 C错误 4 如图所示 光滑但质量分布不均匀的小球的球心在O点 重心在P点 静止在竖直墙和桌边之间 下列关于小球所受弹力的说法正确的是 A 桌边A对小球的弹力由A指向O 墙上B点对小球的弹力由B指向OB 桌边A对小球的弹力由A指向O 墙上B点对小球的弹力由B指向重心PC 桌边A对小球的弹力由A指向P 墙上B点对小球的弹力由B指向重心PD 桌边A对小球的弹力由A指向P 墙上B点对小球的弹力由B指向O 解析 选A 由于重力的影响 球对墙上B点和桌边A点都有挤压 故在这两处均产生弹力作用 又因为弹力的方向总是垂直于接触面 在A点 弹力F1应该垂直于球面 所以沿半径方向指向球心O 在B点弹力F2垂直于墙面 因此也沿半径指向球心O 5 2011 厦门高一检测 一根轻弹簧在20N的拉力作用下 长度由原来的20cm伸长到21cm 那么当这根弹簧伸长到26 5cm时 受到的拉力为多大 弹性限度内 解析 当拉力F1 20N时 弹簧伸长量为 x1 21cm 20cm 1cm 0 01m 当拉力为F2时 弹簧伸长量x2 26 5cm 20cm 6 5cm 0 065m由胡克定律F1 kx1 F2 kx2 由 得F1 F2 x1 x2 解得F2 20N 130N 答案 130N 一 选择题 本题共5小题 每小题5分 共25分 1 一人用斜向下的力推小车前进 力的大小为40N 方向与水平方向成30 则下面画出的推小车的力的图示中正确的是 图中 表示力的作用点 解析 选D 力的图示是用一条有向线段来表示力 有向线段的长短表示力的大小 有向线段的方向表示力的方向 箭头或箭尾表示力的作用点 A中没有正确反映出力的大小 B中力的作用点画错 不在小车上 C中力的方向画反了 故D正确 2 下列说法正确的是 A 木块放在桌面上受到向上的支持力 这是由于木块发生微小形变而产生的B 用一根细竹竿拨动水中的木头 木头受到竹竿的推力 这是由于木头发生形变而产生的C 绳对物体的拉力方向总是竖直向上D 挂在电线下面的电灯受到向上的拉力 是由于电线发生微小形变而产生的 解析 选D 弹力是由施力物体发生形变产生的 所以A B选项均错 而D选项正确 绳对物体的拉力总是沿绳指向绳收缩的方向 但不一定沿竖直方向 所以C错 3 2010年11月18日 在第16届亚运会台球项目女子美式8球单打决赛中 中国选手刘莎莎以5比4战胜韩国选手夺取冠军 如图台球以速度v0与球桌边框成 角撞击O点 反弹后速度为v1 方向与球桌边框夹角仍为 如图所示 OB垂直于桌边 则下列关于球桌边框对小球的弹力方向的判断中正确的是 A 可能沿OA方向B 一定沿OB方向C 可能沿OC方向D 可能沿OD方向 解析 选B 台球与球桌边框碰撞时 受到边框的弹力作用 弹力的方向应与边框垂直 即沿OB方向 故选B 4 2011 浏阳高一检测 如图中是三个质量均不计的完全相同的弹簧测力计 图中各小球的质量相等 且不计一切摩擦 平衡时各弹簧测力计的示数分别为F1 F2 F3 则 A F1 F2 F3B F1 F2 F3C F1 F3 F2D F3 F1 F2 解析 选A 对甲图中下端悬挂的小球 乙图中小球和丙图中的任一小球进行受力分析 小球都受到重力和弹簧的拉力作用 根据二力平衡 可知F1 F2 F3的大小都等于小球的重力大小 故A正确 5 2011 苏州高一检测 如图所示 一根弹性杆的一端固定在倾角为30 的斜面上 杆的另一端固定一个重为4N的小球 小球处于静止状态时 弹性杆对小球的弹力 A 大小为4N 方向平行于斜面向上B 大小为2N 方向平行于斜面向上C 大小为4N 方向垂直于斜面向上D 大小为4N 方向竖直向上 解析 选D 小球受重力和杆的弹力两个力的作用 且重力的方向竖直向下 由于小球处于静止状态 根据二力平衡条件可知 弹力大小与重力大小相等 方向相反 故弹力大小为4N 方向竖直向上 D正确 规律方法 弹力大小的计算 1 弹簧弹力的大小 应用胡克定律F kx求解 公式中的x是弹簧的形变量 可能是拉伸量 也可能为压缩量 设弹簧原长为l0 形变后的长度为l 则x l l0 k为弹簧的劲度系数 是一个反映弹簧形变难易程度的物理量 由弹簧本身的性质决定 即由材料 长度 弹簧丝粗细 截面积 匝数等决定 2 非弹簧类物体的弹力大小 一般借助物体所处的状态进行判断 对于静止或匀速直线运动的物体 可用二力平衡知识求解 二 非选择题 本题共3小题 共25分 要有必要的文字叙述 6 8分 在做 探究弹力与弹簧伸长量的关系 实验时 将一轻弹簧竖直悬挂 使其自然下垂 测出其自然长度 然后在其下端悬挂钩码 测出弹簧的总长度 改变钩码个数 测出几组数据 作出钩码重力F与弹簧的总长度L的关系图线 如图所示 实验过程是在弹簧的弹性限度内进行的 由图可知该弹簧的自然长度为 cm 该弹簧的劲度系数为 N m 解析 当弹簧下端不挂钩码即F 0时 弹簧的长度为自然长度 由图象得弹簧的自然长度为10cm 图线的斜率表示弹簧的劲度系数 根据图象得k N m 50 0N m 答案 1050 0 7 8分 如图所示 画出图中各静止物体所受的弹力的示意图 各接触面均光滑 O为重心 解析 甲图中弹力是弧形支持面对物体的支持力 方向为过接触点A 重心O与圆弧的圆心三点竖直向上 乙图中物体与斜面和绳接触 两接触点均有弹力 绳的弹力沿绳指向绳收缩的方向 斜面对物体的弹力垂直斜面指向物体 丙图中两接触点都属于平面与球面接触 弹力应垂直接触面或接触面的切面 故A处弹力水平向右 B处弹力垂直斜面向左上方 丁图中虽物体与两绳接触 但水平绳对物体没有弹力作用 可以用假设法判定 若此处有弹力 悬绳不能处于竖直状态 故竖直悬绳弹力方向竖直向上 各图弹力如图所示 8 2011 湛江高一检测 9分 如图所示为一轻质弹簧的长度L和弹力F大小的关系 试由图线确定 1 弹簧的原长 2 弹簧的劲度系数 3 弹簧长为0 20m时弹力的大小 解析 在该图象中要注意这样几个特殊的点 直线和横轴的交点 该交点表示弹力为零 由此得到弹簧的原长为10cm 纵坐标为10N的两点 弹簧的长度分别为5cm和15cm 1 根据图象可知 当F 0时 表示弹簧处于原长 所以原长L 10cm 2 对于坐标为 5 10 这一点 表示当弹簧压缩量为x 10cm 5cm 5cm时 弹簧的弹力F 10N 根据胡克定律F kx 代入数据后可以得到k 200N m 3 当弹簧长度L 0 20m时 表示弹簧伸长量x 20cm 10cm 10cm 根据胡克定律F kx 代入数据可以得到F 20N 答案 1 10cm 2 200N m 3 20N 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全