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高中物理人教版 (2019)必修 第一册1 重力与弹力课文ppt课件
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第一册1 重力与弹力课文ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了体积或形状，恢复原状，弹性形变，支持力，绳收缩，劲度系数，牛顿米，不明显，属于弹性形变，物体间直接接触等内容，欢迎下载使用。
1.弹性形变和弹力:(1)形变:物体在力的作用下___________发生的改变.(2)弹性形变:发生形变的受力物体在外力撤除后能够_________的形变.
(3)弹性限度:超过一定的限度,撤去外力后形变物体不能完全_________.(4)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)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_____.(2)公式:F=___,其中k为弹簧的_________,单位:_________,符号____.
主题一 弹性形变及弹力的产生【问题探究】探究点1 弹性形变
(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.
探究点2 观察微小形变
(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?任何物体在力的作用下,都会产生_____,只是有的形变_____,有的形变_______.上述两个实验均采用了“________”显示微小形变的原理.
探究点3 弹力的产生
(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:_________________________________________________.
弹簧形变后撤去外力能恢复原状,
橡皮泥形变后撤去外力不能恢
复原状,属于非弹性形变
(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:_______________;____________________.
【探究总结】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.球对水平面的压力就是球所受的重力C.球对水平面的压力是球发生微小形变产生的D.球受到水平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面有压力,所以C正确;球受到水平面的支持力是桌面发生微小形变产生的,所以D错误.
【探究训练】1.关于弹力的产生,下列说法正确的是( )A.木块放在桌面上受到一个向上的弹力,这是由于木块发生微小形变而产生的B.木块放在桌面上,木块没有形变,所以对桌面没有施加弹力
C.拿一根细竹竿拨动水中的木头,木头受到竹竿的弹力,这是由于木头发生形变而产生的D.挂在电线下面的电灯受到向上的拉力,是因为电线发生微小的形变而产生的
【解析】选D.木块放在桌面上受到一个向上的弹力,这是由于桌面发生微小形变而产生的,A错误;木块放在桌面上,由于相互作用力,木块会发生形变,所以对桌面会施加弹力,B错误;拿一根细竹竿拨动水中的木头,木头受到竹竿的弹力,这是由于竹竿发生形变而产生的,C错误;挂在电线下面的电灯受到向上的拉力,是因为电线发生微小的形变而产生的,D正确.
2.如图所示,用细绳悬挂的小球与光滑斜面相接触,并保持静止,甲中细绳倾斜,乙中细绳呈竖直状态.判断图甲、乙中小球是否受到斜面的弹力作用.
【解题指南】判断弹力是否存在,当形变明显时,可直接由弹力的产生条件进行判断,当形变不明显时,可采用假设法、状态法或替换法进行判断.
【解析】解法一(假设法):假设两图中的斜面不存在,则甲图中小球无法在原位置保持静止,乙图中小球仍静止,故甲图中小球受到斜面的弹力作用,乙图中小球不受斜面的弹力作用.
解法二(状态法):设两图中斜面均对小球有弹力作用,则甲图中小球仍能保持静止状态,乙图中小球不能保持静止状态,所以乙图中小球不受斜面的弹力作用,甲图中小球受到斜面的弹力作用.答案:甲图中的小球受到斜面的弹力作用,乙图中的小球不受斜面的弹力作用.
【补偿训练】1.一辆汽车停在水平地面上,下列说法正确的是( )A.地面受到了向下的弹力,是因为地面发生了弹性形变;汽车没有发生形变,所以汽车不受弹力B.地面受到了向下的弹力,是因为地面发生了弹性形变;汽车受到了向上的弹力,是因为车轮也发生了形变
C.汽车受到向上的弹力,是因为地面发生了形变;地面受到向下的弹力,是因为汽车发生了形变D.以上说法都不正确
【解析】选C.汽车停在水平地面上,因为地面发生了向下的形变,所以地面在恢复原状时对与之接触的车轮产生一个向上的弹力作用;因为汽车的车轮发生了向上的形变,所以车轮在恢复原状时对与之接触的地面产生一个向下的弹力作用,故C正确,A、B、D错误.
2.在图中,a、b表面均光滑,天花板和地面均水平,则a、b间一定有弹力的是( )
【解析】选B.A图中,因为a、b无相互挤压,没有发生形变,A错误;B图中,细绳偏离竖直方向,则a、b相互挤压,产生弹力,B正确;C图中,假设a、b间有弹力存在,a对b的弹力方向水平向右,b将向右滚动,而题设条件b是静止的,破坏了b的平衡状态,则a、b间不存在弹力,C错误;D图中,假设a、b间有弹力存在,a对b的弹力方向垂
直于斜面向上,则b受三个力:竖直向下的重力、竖直向上的拉力和垂直于斜面向上的弹力,这三个合力不可能为零,即三个力不可能平衡,与题设条件矛盾,故D错误.
3.杂技演员具有高超的技术,如图所示,他能轻松地顶住从高处落下的缸,关于他顶缸时头顶受到的压力产生的直接原因是( ) A.缸的形变 B.头的形变C.物体受到的重力D.人受到的重力
【解析】选A.头顶受到的压力的施力物体是缸,受力物体是头顶,头顶受到的压力产生的直接原因是缸的形变,间接原因是缸受到的重力,A项正确.
4.如图所示,将一个钢球分别放在量杯、口大底小的普通茶杯和口小底大的烧杯中,钢球在各容器的底部与侧壁相接触,处于静止状态.若钢球和各容器都是光滑的,各容器的底部均处于水平面内,则下列说法中正确的是( )
A.各容器的侧壁对钢球均无弹力作用B.各容器的侧壁对钢球均有弹力作用C.量杯的侧壁对钢球无弹力作用,其余两种容器的侧壁对钢球均有弹力作用D.口大底小的普通茶杯的侧壁对钢球有弹力作用,其余两种容器的侧壁对钢球均无弹力作用
【解析】选A.弹力产生的条件是两物体直接接触且发生弹性形变.钢球与容器的侧壁接触,是否有弹力作用,就看接触处是否发生弹性形变,但微小形变难以察觉,可借助假设法判断.
假设容器侧壁对钢球无弹力作用,则钢球受重力和容器底部对它的支持力作用,钢球仍将处于静止状态,故钢球与容器侧壁虽然接触但没有发生弹性形变,容器侧壁对钢球无弹力作用的假设成立.
我们也可以假设容器侧壁对钢球有弹力作用,作出各容器中钢球的受力示意图如图所示,可见三种情况均与钢球静止的题设条件相矛盾,所以原假设不成立,各容器的侧壁对钢球均无弹力作用.故A对.
主题二 弹力的方向【问题探究】
探究点1 面—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,方向竖直向上.
(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.提示:桌面受到的弹力是瓶子发生形变而产生的,方向竖直向下,力的示意图如图所示.
探究点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)由此能得到弹簧弹力方向与形变方向有何关系?由此可知弹簧弹力方向与形变方向_____.
探究点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.
【探究总结】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
【探究训练】1.如图所示,质量为m的杆AB,A端用细绳悬挂,B端搁放在地面上,下列有关杆AB两端点所受弹力的方向说法中正确的是( )
A.A端弹力沿绳AC指向C点B.B端弹力垂直AB斜向上C.B端弹力竖直向下D.B端弹力平行AB斜向上
【解析】选A.A端受绳的拉力,沿绳方向,A对;B端受地面的弹力,垂直地面向上,B、C、D错误.
2.在图中画出物体A所受弹力的示意图.
【解析】支持力、压力的方向都要与接触面垂直并指向被支持或被压的物体,物体A所受弹力的示意图如图所示.
【补偿训练】1.画出图中物体A和B所受重力、弹力的示意图.(各接触面均光滑,各物体均静止)
【解析】各图中A、B受力如图所示 答案:见解析
2.如图所示,光滑但质量分布不均的小球的球心在O点,重心在P点,小球静止在竖直墙和桌边之间,试画出小球所受弹力.
【解析】本题考查弹力的方向.由于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应该垂直于墙面,因此也沿半径指向球心O.弹力必须指向球心,而不一定指向重心,又由于F1、F2、G为共点力,重力的作用线必须经过O点,因此P和O必在同一竖直线上.
主题三 胡克定律【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: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图象,图象的斜率表示什么物理意义?如果弹簧1、2的F -x 图象如图所示,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图象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:图象1的斜率较大,所以弹簧1的劲度系数较大.
【探究总结】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”.
4.F-x图象,根据胡克定律,可作出弹力F与形变量x的图象,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大小的关系图象,试由图象确定:(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图象中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.
【探究训练】1.(多选)关于胡克定律的下列说法,正确的是( )A.拉力相同、伸长也相同的弹簧,它们的劲度系数相同B.劲度系数相同的弹簧,弹簧的伸长相同C.知道弹簧的劲度系数,就可以算出任何拉力下的弹簧伸长
D.劲度系数和拉力、伸长没有关系,它只取决于弹簧的材料、长短、弹簧丝的粗细
【解析】选A、D.根据胡克定律可知选项A正确;劲度系数相同,如果弹力不同,其伸长量不同,故选项B错误;如果超出了弹性限度,胡克定律不成立,这时就无法求出伸长量,故选项C错误;弹簧的劲度系数由弹簧本身的材料、长短、弹簧丝的粗细来决定,与外界因素无关,故选项D正确.
2.探究弹力和弹簧伸长的关系时,在弹性限度内,悬挂15 N重物时,弹簧长度为0.16 m,悬挂20 N重物时,弹簧长度为0.18 m,则弹簧的原长L0和劲度系数k分别为( )A.L0=0.02 m,k=500 N/mB.L0=0.10 m,k=500 N/mC.L0=0.02 m,k=250 N/mD.L0=0.10 m,k=250 N/m
【解析】选D.根据胡克定律得,当悬挂15 N重物时,F1=k(L1-L0)当悬挂20 N重物时,F2=k(L2-L0)将F1=15 N,L1=0.16 m;F2=20 N,L2=0.18 m代入解得k=250 N/m,L0=0.10 m,故D正确,A、B、C错误.
【补偿训练】1.下列图象中,正确反映弹力F与弹簧伸长量ΔL的关系(设在弹性限度内)的是( )
【解析】选A.弹力F与弹簧伸长量ΔL是正比例关系,图象为过原点的直线.
2.(多选)如图所示,轻弹簧的两端各受20 N拉力F的作用,弹簧伸长了10 cm(在弹性限度内).那么下列说法中正确的是( )A.弹簧所受的合力为零B.该弹簧的劲度系数k为200 N/mC.弹簧所受的合力为20 N
D.根据公式k= ,弹簧的劲度系数k会随弹簧弹力F的增大而增大
【解析】选A、B.轻弹簧的两端各受20 N拉力F的作用,所以弹簧所受的合力为零,所以选项A正确,C错误;根据胡克定律F=kx得弹簧的劲度系数为: k= N/m=200 N/m,B正确;弹簧的伸长与受的拉力成正比,弹簧的劲度系数k与弹簧弹力F的变化无关,与弹簧本身有关,D错误.
3.如图所示,弹簧测力计和细线的重力及一切摩擦不计,物重G=1 N,则弹簧测力计A和B的示数分别为( )A.1 N,0 B.0,1 NC.1 N,2 ND.1 N,1 N
【解析】选D.A、B弹簧测力计的示数均等于测力计挂钩上所挂物体的重力,即两示数均为1 N,D正确.
4.如图所示,一根弹簧的原长为20 cm,竖直悬挂着,当用15 N的力竖直向下拉弹簧时,量得弹簧长24 cm;若把它竖立在水平桌面上,用30 N的力竖直向下压时,弹簧长为多少?(忽略弹簧自重,弹簧一直处于弹性限度内)
【解析】解法一:由F=kx得:当F1=15 N时:15=k(0.24-0.2),得k=375 N/m当F2=30 N时:30=375x,解得x=0.08 m所以竖直向下压时弹簧长l=20 cm-8 cm=12 cm
1.弹性形变和弹力:(1)形变:物体在力的作用下___________发生的改变.(2)弹性形变:发生形变的受力物体在外力撤除后能够_________的形变.
(3)弹性限度:超过一定的限度,撤去外力后形变物体不能完全_________.(4)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)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_____.(2)公式:F=___,其中k为弹簧的_________,单位:_________,符号____.
主题一 弹性形变及弹力的产生【问题探究】探究点1 弹性形变
(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.
探究点2 观察微小形变
(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?任何物体在力的作用下,都会产生_____,只是有的形变_____,有的形变_______.上述两个实验均采用了“________”显示微小形变的原理.
探究点3 弹力的产生
(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:_________________________________________________.
弹簧形变后撤去外力能恢复原状,
橡皮泥形变后撤去外力不能恢
复原状,属于非弹性形变
(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:_______________;____________________.
【探究总结】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.球对水平面的压力就是球所受的重力C.球对水平面的压力是球发生微小形变产生的D.球受到水平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面有压力,所以C正确;球受到水平面的支持力是桌面发生微小形变产生的,所以D错误.
【探究训练】1.关于弹力的产生,下列说法正确的是( )A.木块放在桌面上受到一个向上的弹力,这是由于木块发生微小形变而产生的B.木块放在桌面上,木块没有形变,所以对桌面没有施加弹力
C.拿一根细竹竿拨动水中的木头,木头受到竹竿的弹力,这是由于木头发生形变而产生的D.挂在电线下面的电灯受到向上的拉力,是因为电线发生微小的形变而产生的
【解析】选D.木块放在桌面上受到一个向上的弹力,这是由于桌面发生微小形变而产生的,A错误;木块放在桌面上,由于相互作用力,木块会发生形变,所以对桌面会施加弹力,B错误;拿一根细竹竿拨动水中的木头,木头受到竹竿的弹力,这是由于竹竿发生形变而产生的,C错误;挂在电线下面的电灯受到向上的拉力,是因为电线发生微小的形变而产生的,D正确.
2.如图所示,用细绳悬挂的小球与光滑斜面相接触,并保持静止,甲中细绳倾斜,乙中细绳呈竖直状态.判断图甲、乙中小球是否受到斜面的弹力作用.
【解题指南】判断弹力是否存在,当形变明显时,可直接由弹力的产生条件进行判断,当形变不明显时,可采用假设法、状态法或替换法进行判断.
【解析】解法一(假设法):假设两图中的斜面不存在,则甲图中小球无法在原位置保持静止,乙图中小球仍静止,故甲图中小球受到斜面的弹力作用,乙图中小球不受斜面的弹力作用.
解法二(状态法):设两图中斜面均对小球有弹力作用,则甲图中小球仍能保持静止状态,乙图中小球不能保持静止状态,所以乙图中小球不受斜面的弹力作用,甲图中小球受到斜面的弹力作用.答案:甲图中的小球受到斜面的弹力作用,乙图中的小球不受斜面的弹力作用.
【补偿训练】1.一辆汽车停在水平地面上,下列说法正确的是( )A.地面受到了向下的弹力,是因为地面发生了弹性形变;汽车没有发生形变,所以汽车不受弹力B.地面受到了向下的弹力,是因为地面发生了弹性形变;汽车受到了向上的弹力,是因为车轮也发生了形变
C.汽车受到向上的弹力,是因为地面发生了形变;地面受到向下的弹力,是因为汽车发生了形变D.以上说法都不正确
【解析】选C.汽车停在水平地面上,因为地面发生了向下的形变,所以地面在恢复原状时对与之接触的车轮产生一个向上的弹力作用;因为汽车的车轮发生了向上的形变,所以车轮在恢复原状时对与之接触的地面产生一个向下的弹力作用,故C正确,A、B、D错误.
2.在图中,a、b表面均光滑,天花板和地面均水平,则a、b间一定有弹力的是( )
【解析】选B.A图中,因为a、b无相互挤压,没有发生形变,A错误;B图中,细绳偏离竖直方向,则a、b相互挤压,产生弹力,B正确;C图中,假设a、b间有弹力存在,a对b的弹力方向水平向右,b将向右滚动,而题设条件b是静止的,破坏了b的平衡状态,则a、b间不存在弹力,C错误;D图中,假设a、b间有弹力存在,a对b的弹力方向垂
直于斜面向上,则b受三个力:竖直向下的重力、竖直向上的拉力和垂直于斜面向上的弹力,这三个合力不可能为零,即三个力不可能平衡,与题设条件矛盾,故D错误.
3.杂技演员具有高超的技术,如图所示,他能轻松地顶住从高处落下的缸,关于他顶缸时头顶受到的压力产生的直接原因是( ) A.缸的形变 B.头的形变C.物体受到的重力D.人受到的重力
【解析】选A.头顶受到的压力的施力物体是缸,受力物体是头顶,头顶受到的压力产生的直接原因是缸的形变,间接原因是缸受到的重力,A项正确.
4.如图所示,将一个钢球分别放在量杯、口大底小的普通茶杯和口小底大的烧杯中,钢球在各容器的底部与侧壁相接触,处于静止状态.若钢球和各容器都是光滑的,各容器的底部均处于水平面内,则下列说法中正确的是( )
A.各容器的侧壁对钢球均无弹力作用B.各容器的侧壁对钢球均有弹力作用C.量杯的侧壁对钢球无弹力作用,其余两种容器的侧壁对钢球均有弹力作用D.口大底小的普通茶杯的侧壁对钢球有弹力作用,其余两种容器的侧壁对钢球均无弹力作用
【解析】选A.弹力产生的条件是两物体直接接触且发生弹性形变.钢球与容器的侧壁接触,是否有弹力作用,就看接触处是否发生弹性形变,但微小形变难以察觉,可借助假设法判断.
假设容器侧壁对钢球无弹力作用,则钢球受重力和容器底部对它的支持力作用,钢球仍将处于静止状态,故钢球与容器侧壁虽然接触但没有发生弹性形变,容器侧壁对钢球无弹力作用的假设成立.
我们也可以假设容器侧壁对钢球有弹力作用,作出各容器中钢球的受力示意图如图所示,可见三种情况均与钢球静止的题设条件相矛盾,所以原假设不成立,各容器的侧壁对钢球均无弹力作用.故A对.
主题二 弹力的方向【问题探究】
探究点1 面—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,方向竖直向上.
(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.提示:桌面受到的弹力是瓶子发生形变而产生的,方向竖直向下,力的示意图如图所示.
探究点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)由此能得到弹簧弹力方向与形变方向有何关系?由此可知弹簧弹力方向与形变方向_____.
探究点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.
【探究总结】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
【探究训练】1.如图所示,质量为m的杆AB,A端用细绳悬挂,B端搁放在地面上,下列有关杆AB两端点所受弹力的方向说法中正确的是( )
A.A端弹力沿绳AC指向C点B.B端弹力垂直AB斜向上C.B端弹力竖直向下D.B端弹力平行AB斜向上
【解析】选A.A端受绳的拉力,沿绳方向,A对;B端受地面的弹力,垂直地面向上,B、C、D错误.
2.在图中画出物体A所受弹力的示意图.
【解析】支持力、压力的方向都要与接触面垂直并指向被支持或被压的物体,物体A所受弹力的示意图如图所示.
【补偿训练】1.画出图中物体A和B所受重力、弹力的示意图.(各接触面均光滑,各物体均静止)
【解析】各图中A、B受力如图所示 答案:见解析
2.如图所示,光滑但质量分布不均的小球的球心在O点,重心在P点,小球静止在竖直墙和桌边之间,试画出小球所受弹力.
【解析】本题考查弹力的方向.由于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应该垂直于墙面,因此也沿半径指向球心O.弹力必须指向球心,而不一定指向重心,又由于F1、F2、G为共点力,重力的作用线必须经过O点,因此P和O必在同一竖直线上.
主题三 胡克定律【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: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图象,图象的斜率表示什么物理意义?如果弹簧1、2的F -x 图象如图所示,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图象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:图象1的斜率较大,所以弹簧1的劲度系数较大.
【探究总结】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”.
4.F-x图象,根据胡克定律,可作出弹力F与形变量x的图象,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大小的关系图象,试由图象确定:(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图象中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.
【探究训练】1.(多选)关于胡克定律的下列说法,正确的是( )A.拉力相同、伸长也相同的弹簧,它们的劲度系数相同B.劲度系数相同的弹簧,弹簧的伸长相同C.知道弹簧的劲度系数,就可以算出任何拉力下的弹簧伸长
D.劲度系数和拉力、伸长没有关系,它只取决于弹簧的材料、长短、弹簧丝的粗细
【解析】选A、D.根据胡克定律可知选项A正确;劲度系数相同,如果弹力不同,其伸长量不同,故选项B错误;如果超出了弹性限度,胡克定律不成立,这时就无法求出伸长量,故选项C错误;弹簧的劲度系数由弹簧本身的材料、长短、弹簧丝的粗细来决定,与外界因素无关,故选项D正确.
2.探究弹力和弹簧伸长的关系时,在弹性限度内,悬挂15 N重物时,弹簧长度为0.16 m,悬挂20 N重物时,弹簧长度为0.18 m,则弹簧的原长L0和劲度系数k分别为( )A.L0=0.02 m,k=500 N/mB.L0=0.10 m,k=500 N/mC.L0=0.02 m,k=250 N/mD.L0=0.10 m,k=250 N/m
【解析】选D.根据胡克定律得,当悬挂15 N重物时,F1=k(L1-L0)当悬挂20 N重物时,F2=k(L2-L0)将F1=15 N,L1=0.16 m;F2=20 N,L2=0.18 m代入解得k=250 N/m,L0=0.10 m,故D正确,A、B、C错误.
【补偿训练】1.下列图象中,正确反映弹力F与弹簧伸长量ΔL的关系(设在弹性限度内)的是( )
【解析】选A.弹力F与弹簧伸长量ΔL是正比例关系,图象为过原点的直线.
2.(多选)如图所示,轻弹簧的两端各受20 N拉力F的作用,弹簧伸长了10 cm(在弹性限度内).那么下列说法中正确的是( )A.弹簧所受的合力为零B.该弹簧的劲度系数k为200 N/mC.弹簧所受的合力为20 N
D.根据公式k= ,弹簧的劲度系数k会随弹簧弹力F的增大而增大
【解析】选A、B.轻弹簧的两端各受20 N拉力F的作用,所以弹簧所受的合力为零,所以选项A正确,C错误;根据胡克定律F=kx得弹簧的劲度系数为: k= N/m=200 N/m,B正确;弹簧的伸长与受的拉力成正比,弹簧的劲度系数k与弹簧弹力F的变化无关,与弹簧本身有关,D错误.
3.如图所示,弹簧测力计和细线的重力及一切摩擦不计,物重G=1 N,则弹簧测力计A和B的示数分别为( )A.1 N,0 B.0,1 NC.1 N,2 ND.1 N,1 N
【解析】选D.A、B弹簧测力计的示数均等于测力计挂钩上所挂物体的重力,即两示数均为1 N,D正确.
4.如图所示,一根弹簧的原长为20 cm,竖直悬挂着,当用15 N的力竖直向下拉弹簧时,量得弹簧长24 cm;若把它竖立在水平桌面上,用30 N的力竖直向下压时,弹簧长为多少?(忽略弹簧自重,弹簧一直处于弹性限度内)
【解析】解法一:由F=kx得:当F1=15 N时:15=k(0.24-0.2),得k=375 N/m当F2=30 N时:30=375x,解得x=0.08 m所以竖直向下压时弹簧长l=20 cm-8 cm=12 cm
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