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教科版 (2019)必修 第一册2 弹力课堂教学课件ppt
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这是一份教科版 (2019)必修 第一册2 弹力课堂教学课件ppt，共57页。PPT课件主要包含了内容索引，自主预习·新知导学，合作探究·释疑解惑，课堂小结，随堂练习，课标定位，素养阐释，问题引领，归纳提升，弹力产生的过程等内容，欢迎下载使用。
1.知道形变、弹性形变和非弹性形变。2.知道弹力的定义及弹力的方向。3.掌握胡克定律。
1.通过对形变及弹力的概念的理解,形成物理观念。2.通过对显示微小形变的方法的理解,掌握科学探究方法。3.掌握判断弹力有无的方法,形成科学思维方法。4.通过探究弹簧弹力与形变的关系,掌握科学探究方法。
一、形变1.形变:物体在力的作用下形状或体积发生的变化。2.弹性形变:有些发生形变的物体在撤去外界的作用力后能够恢复原状,这种形变叫作弹性形变。3.弹性限度:如果形变过大,超过一定的限度,撤去作用力后物体不能完全恢复原来的形状,这个限度叫作弹性限度。4.塑性形变:撤去外力后物体不能完全恢复原状的形变。5.形变有哪两种类型?它们的区别是什么?提示:弹性形变与塑性形变。区别是撤去外力后是否能恢复原状。
二、认识弹力1.定义:发生形变的物体,由于要恢复原状,对与它接触的物体产生的力。2.几种弹力及方向(1)压力和支持力的方向垂直于接触面而指向被压或被支持物体。(2)绳子对物体的拉力方向总是沿着绳子而指向绳子收缩的方向。
3.放在水平桌面上的书与桌面之间产生的弹力方向垂直于支持面而指向被压或被支持的物体。若将书放于如图所示的曲面上,它与曲面之间产生的弹力沿什么方向?
提示:放于曲面上时,书所受的支持力垂直于接触点的切面向上,曲面所受压力垂直于接触点的切面向下。如图所示。
三、实验:探究弹簧弹力与形变的关系1.实验器材:铁架台,下端带挂钩的弹簧,100 g的钩码若干,刻度尺等。2.结论:胡克定律(1)内容:在弹性限度内,弹簧弹力F的大小与弹簧的伸长(或缩短)量x成正比。用公式表示为F=kx。(2)劲度系数:比例系数k称为弹簧的劲度系数,单位是牛顿每米,单位的符号是 N/m。它取决于弹簧本身的结构(材料、匝数、直径等)。3.在弹性限度内,将弹簧拉得越长,弹簧的劲度系数越大吗?提示:不是,弹簧的劲度系数取决于弹簧本身的结构。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)发生形变后的物体撤去外力后都能够恢复原状。( )(2)海绵受挤压会发生形变,桌面受挤压不会发生形变。( )(3)静止在水平地面上的物体受到向上的弹力是因为地面发生了形变。( )(4)由F=kx可知,在弹性限度内弹力F的大小与弹簧的长度成正比。( )(5)若物体发生的形变为塑性形变,则不会产生弹力。( )
2.用手拉弹簧,弹簧会对手产生一个拉力作用,这个力是如何产生的?用手压弹簧呢?提示:用手拉弹簧时,弹簧发生了弹性形变,弹簧由于要恢复原状就会对跟它接触的物体——手产生一个拉力的作用,这个力就是弹力。同理,用手压弹簧时,弹簧发生了弹性形变,弹簧由于要恢复原状就会对跟它接触的物体——手产生弹力。
(1)如图(a)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?(2)如图(b)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:(1)玻璃瓶发生了形变。(2)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。
2.弹力产生的条件及弹力有无的判断(1)弹力产生的条件。①两物体接触。②接触面发生弹性形变。
(2)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。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。假设有弹力: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,则此弹力可能存在。
【例题1】 在下列各图中,A、B两球间一定有弹力作用的是( )
答案:B解析:在A图中,假设A对B有弹力,则B将向右运动,故A、B间没有弹力。在B图中,若拿去A球,则B球将向左运动,故A、B间存在相互挤压,即A、B间存在弹力。在C图中,若忽略摩擦,假设A对B有弹力,则B将向右运动,则A、B间在忽略摩擦力情况下没有弹力。在D图中,不能判断A、B间有没有弹力,故应选B。
弹力的产生条件中接触是前提,挤压是关键,相互接触的物体是否发生弹性形变是弹力存在与否的标志。但是,实际上除弹簧、橡皮筋等物体产生弹力时形变较明显外,大部分物体产生弹力时形变是微小的,肉眼很难观察出来。因此,弹力有无可借助假设法(如本题)、替换法、受力分析法来进行判定。
【变式训练1】放在水平桌面上的木块受到弹力,关于这弹力叙述正确的是( )A.就是物体的重力B.是由于木块的形变而产生的C.是由于桌面的形变而产生的D.是由于木块和桌面的形变共同产生的答案:C解析:木块施加给桌面的压力与木块受到的重力只是大小相等,不是同一性质力,故A错误;木块受到向上的力,是因为桌面产生了形变,而产生了方向向上的弹力,故C正确,B、D错误。
一铁块放在海绵上,铁块和海绵都发生了形变,从而在它们之间产生了弹力,如图所示。铁块对海绵的压力是如何产生的?方向怎样?海绵对铁块的支持力是如何产生的?方向怎样?
提示:(1)铁块对海绵的压力:铁块发生弹性形变对与它接触的海绵产生压力,方向垂直接触面向下,如图所示。 (2)海绵对铁块的支持力:海绵发生弹性形变对与它接触的铁块产生支持力,方向垂直于接触面向上,如图所示。
1.弹力的方向总是与引起形变的作用力的方向相反。下表为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。
【例题2】 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(e)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(f)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(g)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(h)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。
杆、弹簧与非弹性绳受力特点比较
【变式训练2】 (多选)在光滑半球形容器内,放置一细杆,细杆与容器的接触点分别为A、B两点,如图所示。关于细杆在A、B两点所受支持力的说法,正确的是( )A.A点处方向指向球心,是由于容器的形变产生的B.A点处方向垂直细杆向上,是由于容器的形变产生的C.B点处方向垂直细杆向上,是由于容器的形变产生的D.B点处方向竖直向上,是由于细杆的形变产生的答案:AC
解析:在A点处,细杆与半球形容器的接触面是半球形容器的切面,半球形容器对细杆的支持力垂直切面指向细杆,根据几何知识知,此方向指向球心O,即A点处半球形容器对细杆的支持力指向球心O,施力物体是半球形容器,则是由于容器的形变产生的,故A正确,B错误;在B点处,细杆与半球形容器的接触面就是细杆的下表面,所以B点处半球形容器对细杆的支持力垂直于细杆斜向上,施力物体是半球形容器,则是由于容器的形变产生的,故C正确,D错误。
蹦极是一项户外休闲活动。跳跃者站在约40 m高度的位置,用橡皮绳固定住后跳下,落地前反弹。反复弹起落下,重复多次直至运动停止。试问:上述橡皮绳在弹性限度内是否满足胡克定律?提示:实践证明,弹簧、橡皮条(绳)等一些固体材料,在其弹性限度内,所产生的弹力与自身形变量均满足胡克定律,即F=kx。
1.实验:探究弹簧弹力与伸长量的关系[实验目的](1)探究弹簧弹力与伸长量的关系。(2)学会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据。(3)验证胡克定律,会求弹簧的劲度系数。
[实验原理](1)用悬挂法测量弹簧的弹力F弹簧下端悬挂的钩码静止时,弹力大小与挂在弹簧下面的钩码的重力相等,在弹簧下端悬挂不同个数的钩码,并分别求出重力,从而得到弹簧弹力。(2)测出弹簧的伸长量x弹簧的原长与挂上钩码后弹簧的长度可以用刻度尺测出,其伸长量可以用弹簧的长度减去原长来求得。(3)探究弹簧弹力和伸长量的关系建立坐标系,以纵坐标表示弹簧弹力大小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,用平滑的曲线连起来,根据实验所得的图线,就可探知弹簧弹力大小与伸长量间的关系。
[实验器材]铁架台、下端带挂钩的弹簧、100 g的钩码若干、毫米刻度尺、坐标纸。[实验步骤]
(1)如图(a)所示,将弹簧挂置于铁架台的横杆上,测出弹簧的原长(自然长度)l0= 。 (2)如图(b)所示,在弹簧下端依次挂上1个、2个……相同的钩码。根据二力平衡可知,静止时弹簧弹力的大小等于钩码所受重力的大小。分别测出弹簧静止时的长度l,计算出弹簧的伸长量x=l-l0。(3)把所测得的数据填写在下列表格中。
[数据处理](1)以x为横轴,F为纵轴建立坐标系,根据表中的数据,在图中的坐标纸上描点,画出F-x图像。
(2)以弹簧伸长量为自变量,写出弹力和弹簧伸长量之间的函数关系,函数表达式中常数即为弹簧的劲度系数,这个常数也可据F-x图线的斜率求解,
[误差分析](1)由于弹簧本身重力的影响,直线近似过坐标原点。(2)刻度尺读数不准确造成测量误差。[注意事项](1)所挂钩码不要过重,以免弹簧超出它的弹性限度。(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疏一些,这样作出的图线较为精确。(3)测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直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,以免增大误差。(4)描点画线时,所描的点不一定都落在图线上,但应注意一定要使各点均匀分布在图线的两侧。(5)记录数据时要注意弹簧弹力与伸长量的对应关系及单位。
2.对胡克定律(F=kx)的理解
【例题3】为了测量弹簧的劲度系数,某同学进行了如下实验。将一弹簧竖直悬挂在铁架台上,用弹簧测力计拉弹簧下端,同时记下弹簧总长度和弹簧测力计的示数,记录的数据如下表:
请完成以下问题。(1)第4次操作时,弹簧测力计的示数如图(a)所示,请读出其示数F4= N。(2)除第4次的数据外,其他均已在图(b)中描点,请你把第4次数据在图(b)中描点,并作F-l图像。(3)根据F-l图像可得弹簧的原长l0= cm,劲度系数k= N/m (结果均保留三位有效数字)。
答案:(1)3.20(2)如图所示
(3)2.00(1.98~2.02) 153(150~155)
图像法是处理实验数据的一种常用方法,在物理学中经常用图像处理物理问题,解答这类问题时必须明确:(1)图线斜率的物理意义(或切线斜率的物理意义);(2)图线与纵轴、横轴交点的物理意义。
【变式训练3】 在探究弹簧弹力与伸长量关系的实验中:(1)以下说法正确的是( )A.弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度B.用悬挂砝码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态C.用刻度尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量D.用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出拉力与伸长量之比相等
(2)甲同学研究弹簧所受弹力F与弹簧长度l关系实验时,得到如图(a)所示的F-l图像,由图像可知,弹簧原长l0= cm,求得弹簧的劲度系数k= N/m。
(3)乙同学做实验时,他先把弹簧平放在桌面上使其自然伸长,用刻度尺测出弹簧的原长l0,再把弹簧竖直悬挂起来,挂上砝码后测出弹簧伸长后的长度l,把l-l0作为弹簧的伸长量x。这样操作,由于弹簧自身重力的影响,最后画出的图线可能是图(b)中所示图像的 。 答案:(1)AB (2)3.0 200 (3)C
1.(弹力有无的判断)(多选)图中光滑小球都与下支撑物接触,则接触面处可能有弹力而不是一定有弹力的是(图中A、B、D细绳均沿竖直方向,球均与接触面相切)( )
解析:A图中水平面对小球可能有弹力作用,也可能没有弹力作用,当拉力等于重力时,则没有弹力,若拉力小于重力时,则存在弹力,故A正确;B图中小球处于静止状态,重力和绳的弹力平衡,斜面与球之间不可能产生弹力,否则小球不可能平衡,故B错误;C图中小球受到绳子拉力、重力、斜面的支持力三力作用下处于平衡状态,因此小球一定受斜面的弹力作用,故C错误;D图中两斜面对球可能有弹力,也可能没有弹力,当拉力等于重力时,则没有弹力,若拉力小于重力,则存在弹力,故D正确。
2.(胡克定律)下图为一轻质弹簧的弹力大小和长度的关系图像,根据图像判断,下列结论正确的是( )A.弹簧的劲度系数为1 N/cmB.弹簧长度为6 cm时,弹簧的劲度系数为0C.弹簧长度为4 cm时,弹簧的弹力为4 ND.当弹簧弹力为5 N时,弹簧的长度一定为11 cm答案:A
3.(弹力的方向)按下列要求画出图中所示物体所受的弹力的示意图。 (1)图(a)中斜面对物块的支持力;(2)图(b)中用细绳悬挂靠在光滑竖直墙上的小球受到的弹力;(3)图(c)中大半球面对小球的支持力;(4)图(d)中光滑但质量分布不均的小球的球心在O点,重心在P点,静止在竖直墙和桌边之间,试画出小球所受弹力;(5)图(e)中质量分布均匀的杆被细绳拉住而静止,画出杆所受的弹力。答案:见解析
1.知道形变、弹性形变和非弹性形变。2.知道弹力的定义及弹力的方向。3.掌握胡克定律。
1.通过对形变及弹力的概念的理解,形成物理观念。2.通过对显示微小形变的方法的理解,掌握科学探究方法。3.掌握判断弹力有无的方法,形成科学思维方法。4.通过探究弹簧弹力与形变的关系,掌握科学探究方法。
一、形变1.形变:物体在力的作用下形状或体积发生的变化。2.弹性形变:有些发生形变的物体在撤去外界的作用力后能够恢复原状,这种形变叫作弹性形变。3.弹性限度:如果形变过大,超过一定的限度,撤去作用力后物体不能完全恢复原来的形状,这个限度叫作弹性限度。4.塑性形变:撤去外力后物体不能完全恢复原状的形变。5.形变有哪两种类型?它们的区别是什么?提示:弹性形变与塑性形变。区别是撤去外力后是否能恢复原状。
二、认识弹力1.定义:发生形变的物体,由于要恢复原状,对与它接触的物体产生的力。2.几种弹力及方向(1)压力和支持力的方向垂直于接触面而指向被压或被支持物体。(2)绳子对物体的拉力方向总是沿着绳子而指向绳子收缩的方向。
3.放在水平桌面上的书与桌面之间产生的弹力方向垂直于支持面而指向被压或被支持的物体。若将书放于如图所示的曲面上,它与曲面之间产生的弹力沿什么方向?
提示:放于曲面上时,书所受的支持力垂直于接触点的切面向上,曲面所受压力垂直于接触点的切面向下。如图所示。
三、实验:探究弹簧弹力与形变的关系1.实验器材:铁架台,下端带挂钩的弹簧,100 g的钩码若干,刻度尺等。2.结论:胡克定律(1)内容:在弹性限度内,弹簧弹力F的大小与弹簧的伸长(或缩短)量x成正比。用公式表示为F=kx。(2)劲度系数:比例系数k称为弹簧的劲度系数,单位是牛顿每米,单位的符号是 N/m。它取决于弹簧本身的结构(材料、匝数、直径等)。3.在弹性限度内,将弹簧拉得越长,弹簧的劲度系数越大吗?提示:不是,弹簧的劲度系数取决于弹簧本身的结构。
【思考讨论】 1.判断下列说法的正误。(1)发生形变后的物体撤去外力后都能够恢复原状。( )(2)海绵受挤压会发生形变,桌面受挤压不会发生形变。( )(3)静止在水平地面上的物体受到向上的弹力是因为地面发生了形变。( )(4)由F=kx可知,在弹性限度内弹力F的大小与弹簧的长度成正比。( )(5)若物体发生的形变为塑性形变,则不会产生弹力。( )
2.用手拉弹簧,弹簧会对手产生一个拉力作用,这个力是如何产生的?用手压弹簧呢?提示:用手拉弹簧时,弹簧发生了弹性形变,弹簧由于要恢复原状就会对跟它接触的物体——手产生一个拉力的作用,这个力就是弹力。同理,用手压弹簧时,弹簧发生了弹性形变,弹簧由于要恢复原状就会对跟它接触的物体——手产生弹力。
(1)如图(a)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?(2)如图(b)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:(1)玻璃瓶发生了形变。(2)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。
2.弹力产生的条件及弹力有无的判断(1)弹力产生的条件。①两物体接触。②接触面发生弹性形变。
(2)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。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。假设有弹力: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,则此弹力可能存在。
【例题1】 在下列各图中,A、B两球间一定有弹力作用的是( )
答案:B解析:在A图中,假设A对B有弹力,则B将向右运动,故A、B间没有弹力。在B图中,若拿去A球,则B球将向左运动,故A、B间存在相互挤压,即A、B间存在弹力。在C图中,若忽略摩擦,假设A对B有弹力,则B将向右运动,则A、B间在忽略摩擦力情况下没有弹力。在D图中,不能判断A、B间有没有弹力,故应选B。
弹力的产生条件中接触是前提,挤压是关键,相互接触的物体是否发生弹性形变是弹力存在与否的标志。但是,实际上除弹簧、橡皮筋等物体产生弹力时形变较明显外,大部分物体产生弹力时形变是微小的,肉眼很难观察出来。因此,弹力有无可借助假设法(如本题)、替换法、受力分析法来进行判定。
【变式训练1】放在水平桌面上的木块受到弹力,关于这弹力叙述正确的是( )A.就是物体的重力B.是由于木块的形变而产生的C.是由于桌面的形变而产生的D.是由于木块和桌面的形变共同产生的答案:C解析:木块施加给桌面的压力与木块受到的重力只是大小相等,不是同一性质力,故A错误;木块受到向上的力,是因为桌面产生了形变,而产生了方向向上的弹力,故C正确,B、D错误。
一铁块放在海绵上,铁块和海绵都发生了形变,从而在它们之间产生了弹力,如图所示。铁块对海绵的压力是如何产生的?方向怎样?海绵对铁块的支持力是如何产生的?方向怎样?
提示:(1)铁块对海绵的压力:铁块发生弹性形变对与它接触的海绵产生压力,方向垂直接触面向下,如图所示。 (2)海绵对铁块的支持力:海绵发生弹性形变对与它接触的铁块产生支持力,方向垂直于接触面向上,如图所示。
1.弹力的方向总是与引起形变的作用力的方向相反。下表为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。
【例题2】 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(e)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(f)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(g)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(h)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。
杆、弹簧与非弹性绳受力特点比较
【变式训练2】 (多选)在光滑半球形容器内,放置一细杆,细杆与容器的接触点分别为A、B两点,如图所示。关于细杆在A、B两点所受支持力的说法,正确的是( )A.A点处方向指向球心,是由于容器的形变产生的B.A点处方向垂直细杆向上,是由于容器的形变产生的C.B点处方向垂直细杆向上,是由于容器的形变产生的D.B点处方向竖直向上,是由于细杆的形变产生的答案:AC
解析:在A点处,细杆与半球形容器的接触面是半球形容器的切面,半球形容器对细杆的支持力垂直切面指向细杆,根据几何知识知,此方向指向球心O,即A点处半球形容器对细杆的支持力指向球心O,施力物体是半球形容器,则是由于容器的形变产生的,故A正确,B错误;在B点处,细杆与半球形容器的接触面就是细杆的下表面,所以B点处半球形容器对细杆的支持力垂直于细杆斜向上,施力物体是半球形容器,则是由于容器的形变产生的,故C正确,D错误。
蹦极是一项户外休闲活动。跳跃者站在约40 m高度的位置,用橡皮绳固定住后跳下,落地前反弹。反复弹起落下,重复多次直至运动停止。试问:上述橡皮绳在弹性限度内是否满足胡克定律?提示:实践证明,弹簧、橡皮条(绳)等一些固体材料,在其弹性限度内,所产生的弹力与自身形变量均满足胡克定律,即F=kx。
1.实验:探究弹簧弹力与伸长量的关系[实验目的](1)探究弹簧弹力与伸长量的关系。(2)学会利用列表法、图像法、函数法处理实验数据。(3)验证胡克定律,会求弹簧的劲度系数。
[实验原理](1)用悬挂法测量弹簧的弹力F弹簧下端悬挂的钩码静止时,弹力大小与挂在弹簧下面的钩码的重力相等,在弹簧下端悬挂不同个数的钩码,并分别求出重力,从而得到弹簧弹力。(2)测出弹簧的伸长量x弹簧的原长与挂上钩码后弹簧的长度可以用刻度尺测出,其伸长量可以用弹簧的长度减去原长来求得。(3)探究弹簧弹力和伸长量的关系建立坐标系,以纵坐标表示弹簧弹力大小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,用平滑的曲线连起来,根据实验所得的图线,就可探知弹簧弹力大小与伸长量间的关系。
[实验器材]铁架台、下端带挂钩的弹簧、100 g的钩码若干、毫米刻度尺、坐标纸。[实验步骤]
(1)如图(a)所示,将弹簧挂置于铁架台的横杆上,测出弹簧的原长(自然长度)l0= 。 (2)如图(b)所示,在弹簧下端依次挂上1个、2个……相同的钩码。根据二力平衡可知,静止时弹簧弹力的大小等于钩码所受重力的大小。分别测出弹簧静止时的长度l,计算出弹簧的伸长量x=l-l0。(3)把所测得的数据填写在下列表格中。
[数据处理](1)以x为横轴,F为纵轴建立坐标系,根据表中的数据,在图中的坐标纸上描点,画出F-x图像。
(2)以弹簧伸长量为自变量,写出弹力和弹簧伸长量之间的函数关系,函数表达式中常数即为弹簧的劲度系数,这个常数也可据F-x图线的斜率求解,
[误差分析](1)由于弹簧本身重力的影响,直线近似过坐标原点。(2)刻度尺读数不准确造成测量误差。[注意事项](1)所挂钩码不要过重,以免弹簧超出它的弹性限度。(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疏一些,这样作出的图线较为精确。(3)测弹簧长度时,一定要在弹簧竖直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,以免增大误差。(4)描点画线时,所描的点不一定都落在图线上,但应注意一定要使各点均匀分布在图线的两侧。(5)记录数据时要注意弹簧弹力与伸长量的对应关系及单位。
2.对胡克定律(F=kx)的理解
【例题3】为了测量弹簧的劲度系数,某同学进行了如下实验。将一弹簧竖直悬挂在铁架台上,用弹簧测力计拉弹簧下端,同时记下弹簧总长度和弹簧测力计的示数,记录的数据如下表:
请完成以下问题。(1)第4次操作时,弹簧测力计的示数如图(a)所示,请读出其示数F4= N。(2)除第4次的数据外,其他均已在图(b)中描点,请你把第4次数据在图(b)中描点,并作F-l图像。(3)根据F-l图像可得弹簧的原长l0= cm,劲度系数k= N/m (结果均保留三位有效数字)。
答案:(1)3.20(2)如图所示
(3)2.00(1.98~2.02) 153(150~155)
图像法是处理实验数据的一种常用方法,在物理学中经常用图像处理物理问题,解答这类问题时必须明确:(1)图线斜率的物理意义(或切线斜率的物理意义);(2)图线与纵轴、横轴交点的物理意义。
【变式训练3】 在探究弹簧弹力与伸长量关系的实验中:(1)以下说法正确的是( )A.弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度B.用悬挂砝码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态C.用刻度尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量D.用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出拉力与伸长量之比相等
(2)甲同学研究弹簧所受弹力F与弹簧长度l关系实验时,得到如图(a)所示的F-l图像,由图像可知,弹簧原长l0= cm,求得弹簧的劲度系数k= N/m。
(3)乙同学做实验时,他先把弹簧平放在桌面上使其自然伸长,用刻度尺测出弹簧的原长l0,再把弹簧竖直悬挂起来,挂上砝码后测出弹簧伸长后的长度l,把l-l0作为弹簧的伸长量x。这样操作,由于弹簧自身重力的影响,最后画出的图线可能是图(b)中所示图像的 。 答案:(1)AB (2)3.0 200 (3)C
1.(弹力有无的判断)(多选)图中光滑小球都与下支撑物接触,则接触面处可能有弹力而不是一定有弹力的是(图中A、B、D细绳均沿竖直方向,球均与接触面相切)( )
解析:A图中水平面对小球可能有弹力作用,也可能没有弹力作用,当拉力等于重力时,则没有弹力,若拉力小于重力时,则存在弹力,故A正确;B图中小球处于静止状态,重力和绳的弹力平衡,斜面与球之间不可能产生弹力,否则小球不可能平衡,故B错误;C图中小球受到绳子拉力、重力、斜面的支持力三力作用下处于平衡状态,因此小球一定受斜面的弹力作用,故C错误;D图中两斜面对球可能有弹力,也可能没有弹力,当拉力等于重力时,则没有弹力,若拉力小于重力,则存在弹力,故D正确。
2.(胡克定律)下图为一轻质弹簧的弹力大小和长度的关系图像,根据图像判断,下列结论正确的是( )A.弹簧的劲度系数为1 N/cmB.弹簧长度为6 cm时,弹簧的劲度系数为0C.弹簧长度为4 cm时,弹簧的弹力为4 ND.当弹簧弹力为5 N时,弹簧的长度一定为11 cm答案:A
3.(弹力的方向)按下列要求画出图中所示物体所受的弹力的示意图。 (1)图(a)中斜面对物块的支持力;(2)图(b)中用细绳悬挂靠在光滑竖直墙上的小球受到的弹力;(3)图(c)中大半球面对小球的支持力;(4)图(d)中光滑但质量分布不均的小球的球心在O点,重心在P点,静止在竖直墙和桌边之间,试画出小球所受弹力;(5)图(e)中质量分布均匀的杆被细绳拉住而静止,画出杆所受的弹力。答案:见解析
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