2019_2020學年高中物理第4章相互作用第2節(jié)形變與彈力講義測試（含解析）魯科版.docx

第2節(jié)形變與彈力1了解形變、彈性形變、范性形變、彈性限度等概念。2知道什么是彈力，理解彈力產生的條件。3知道壓力、支持力、繩的拉力都是彈力，能在力的示意圖中正確畫出彈力的方向。4知道影響彈力大小的因素，理解胡克定律并能應用其解題。1.形變(1)定義：我們把物體發(fā)生的伸長、縮短、彎曲等變化稱為形變。(2)分類彈性形變：我們把撤去外力后能恢復原來形狀的物體稱為彈性體，彈性體發(fā)生的形變叫做彈性形變。范性形變：有些物體發(fā)生形變后不能恢復原來的形狀，這種形變叫做范性形變。(3)彈性限度：當彈性體形變達到某一值時，即使撤去外力，物體也不能再恢復原狀，這個值叫彈性限度。2彈力(1)定義：物體發(fā)生彈性形變時，由于要恢復原狀，會對與它接觸的物體產生力的作用，這種力叫做彈力。(2)幾種彈力常見彈力：通常所說的壓力、支持力、拉力都是彈力。彈力的方向彈力的方向總是與物體形變的趨向相反，以使物體恢復原狀。a壓力和支持力的方向垂直于物體的接觸面且指向于被壓物或被支持物。b繩子的拉力沿著繩子而指向繩子收縮的方向。(3)胡克定律內容：在彈性限度內，彈性體(如彈簧)彈力的大小跟彈性體伸長(或縮短)的長度成正比。公式：Fkx，其中比例系數k叫做彈性體的勁度系數，簡稱勁度，單位是N/m。3彈力的應用(1)拉伸或壓縮彈簧，必須克服彈簧的彈力做功，所做的功以彈性勢能的形式儲存在彈簧中。(2)彈簧具有彈性，可以緩沖或減震。(3)彈簧具有自動復位的作用。想一想怎樣觀測微小形變？提示：微小形變需要借助于儀器或其他輔助物才能觀測到。如圖所示，把一圓形玻璃瓶裝滿水，瓶口用中間插有細管(透明)的瓶塞塞住，用手擠壓玻璃瓶，細管中的水就會上升，松開手，水面又降回原處。如果換成扁玻璃瓶，按壓“扁”面瓶子容積變小，細管中液面上升，如果按壓“凸”面瓶子容積反而變大，細管中液面會下降。所以如果用扁玻璃瓶來做實驗，比圓玻璃瓶更容易說明有力就有形變。判一判(1)所有形變在撤去外力后都能夠恢復原來形狀。()(2)兩個接觸的物體間一定存在彈力。()提示：(1)(2)課堂任務形變和彈力1形變(1)形變：物體在力的作用下發(fā)生的形狀或體積的改變。任何物體受力以后都要產生形變。常見的形變有：伸長、壓縮、彎曲、扭轉。一般討論拉伸(或壓縮)的形變。彈性形變：物體在外力作用下發(fā)生形變，如果撤去外力后，形變能完全恢復，這種形變叫彈性形變。如彈簧、橡皮筋等的形變可以看做彈性形變。范性形變：物體在發(fā)生形變后不能恢復原狀，如橡皮泥、普通的泥巴的形變。如圖所示為橡皮泥的形變。彈性限度：如果外力使物體的形變過大，超過一定限度，在撤去外力后，形變不能完全恢復，這個限度就叫彈性限度。(2)彈性形變大小一切物體在力的作用下都會產生形變，力越大形變越大。有的物體形變較為明顯，比如拉伸的彈簧、彎曲的弓箭。有的物體的形變極其微小，比如重物放在桌面上時桌面的形變，只能用實驗的方法顯示出來。2彈力(1)什么是彈力概念：發(fā)生形變的物體，由于要恢復原狀，對跟它接觸的物體產生力的作用，這種力叫彈力。彈力的成因：相互接觸的物體間不一定存在彈力，只有當兩個物體相互擠壓或拉伸產生彈性形變時，由于物體要恢復原狀，才在接觸位置對與它接觸的物體產生彈力，所以彈力產生的直接原因是由施力物體發(fā)生形變引起的。彈力產生的過程(2)彈力產生的條件物體間相互接觸；發(fā)生彈性形變。(3)彈力的方向物體受彈力是因為跟它接觸的物體要恢復形變而產生的，所以物體受彈力的方向就是跟它接觸的物體恢復原狀的方向。例如：如圖所示，一本書放在桌面上，桌面向下“凹”了，對書產生向上的彈力(支持力)；書向上“凹”了，對桌面產生向下的彈力(壓力)。例1判斷圖甲、乙、丙中小球是否受到彈力作用，若受到彈力，請指出其施力物體。(1)彈力產生的條件是什么？題圖中的小球滿足彈力產生的條件嗎？提示：彈力產生的條件需要兩個：物體間相互接觸；發(fā)生彈性形變。題圖中小球都與物體有接觸，但是否發(fā)生彈性形變肉眼看不出，只能通過別的方式判斷。(2)除了用彈力產生的條件來判斷是否有彈力，還有別的方法嗎？提示：別的方法還有很多，比如假設法：假設把接觸面去掉會怎么樣？替代法：將硬的形變微小的物體換成海綿等軟的物體來觀察；還有根據物體的運動狀態(tài)來看；根據力產生的效果來看等等。規(guī)范解答用“假設法”來判斷小球是否受斜面的彈力，若將三個圖中的斜面去掉，則甲圖中小球無法在原位置靜止，乙和丙兩圖中小球仍靜止；同理如果沒有細繩，甲、乙圖中小球不會靜止。所以甲圖中小球受到斜面的彈力，施力物體是斜面；小球還受細繩的彈力，施力物體是細繩；乙圖中小球只受到細繩的彈力，施力物體是細繩，不受斜面的彈力；丙圖中小球只受水平面的彈力，施力物體是水平面，不受斜面的彈力。完美答案見規(guī)范解答判斷彈力有無的兩大誤區(qū)：(1)誤認為只要有接觸一定存在彈力作用，而忽略了彈力產生的另一個條件發(fā)生彈性形變；(2)誤認為有形變一定有彈力，忽略了彈性形變與范性形變的區(qū)別。圖中物體a、b均處于靜止狀態(tài)，a、b間一定有彈力的是()答案B解析在圖A、C、D中，若將物體b拿走，物體a仍能保持原來的靜止狀態(tài)，表明物體a、b間無彈力作用，而對于B圖中的情況，若將物體b拿走，物體a會向右運動，故物體a、b間存在彈力。故選B。課堂任務幾種彈力1典型例子書與木板間的彈力：彈力的方向與接觸面垂直，F1是書對木板的壓力，F2是木板對書的支持力。2常見彈力的方向(1)有“面”參與的彈力的方向只要有“面”參與(不止表格中的例子)，彈力都是垂直于接觸面指向受力物體。這里的“點與點”接觸仍然屬于有“面”參與，因為它們有個公切面。(2)三類特殊模型彈力的方向類型方向圖示輕繩沿繩指向繩收縮方向輕彈簧沿彈簧形變的反方向續(xù)表類型方向圖示輕桿可沿桿可不沿桿繩子只能拉，則繩子拉物體的彈力的方向總是沿著繩子指向繩收縮的方向，同一根輕質繩上的張力大小處處相等。彈簧可拉可壓，彈簧的彈力沿其中心軸線，指向彈簧恢復原狀的方向。輕桿可拉可壓還可扭轉，輕桿的彈力不一定沿桿的方向。輕桿的彈力方向較為復雜，一般根據物體的運動狀態(tài)結合平衡條件確定輕桿的彈力方向。例2分別畫出圖甲、乙中小球、丙中桿的受力示意圖。(甲中小球用細繩掛在光滑的墻壁上，乙中小球用細繩拴著靜止在桌角上，丙中桿一端放在光滑的半球形碗中，另一端靠在墻壁上)(1)在點與面接觸時，彈力方向如何確定？提示：彈力垂直于接觸面或接觸面的切面，且指向受力物體。(2)點與點接觸時，彈力方向如何確定？提示：彈力垂直于過接觸點的公切面，且指向受力物體。規(guī)范解答受力示意圖如圖所示。完美答案見規(guī)范解答判斷彈力方向的步驟：(1)確定物體之間彈力作用的類型；(2)確定產生彈力的物體；(3)找出使物體發(fā)生形變的外力方向；(4)確定物體形變的方向；(5)確定物體產生的彈力方向。在下列三圖中畫出物體P受到的各接觸點或面對它的彈力的示意圖，其中圖甲、乙中物體P處于靜止狀態(tài)，丙中物體P(即球)在水平面上勻速滾動。答案見解析解析題圖甲中物體P所受到的彈力是繩對物體P的拉力，應沿繩指向繩收縮的方向，因此彈力方向沿繩向上；題圖乙中A點屬于點與球面相接觸，彈力應垂直于球面在該點的切面斜向右上，必過球心O，B點屬于點與桿相接觸，彈力應垂直于桿斜向上；丙中小球P不管運動與否，都是屬于平面與球面相接觸，彈力應垂直于平面，且過球心，即豎直向上。它們所受彈力的示意圖分別如圖所示。課堂任務探究彈簧伸長量與彈力的關系一、實驗目的1探究彈簧伸長量與彈力的關系。2學會利用列表法、圖象法、函數法處理實驗數據。二、實驗原理1如圖1所示，在彈簧下端懸掛鉤碼時彈簧會伸長，鉤碼靜止時彈簧產生的彈力與所掛鉤碼的重力大小相等。2彈簧的長度可用刻度尺直接測出，伸長量可以由拉長后的長度減去彈簧原來的長度進行計算。這樣就可以研究彈簧的伸長量和彈力之間的定量關系了。三、實驗器材鐵架臺、彈簧、毫米刻度尺、鉤碼若干、坐標紙。四、實驗步驟1按圖2安裝實驗裝置，記下彈簧下端不掛鉤碼時所對應的刻度尺刻度l0。2在彈簧下端懸掛一個鉤碼，鉤碼靜止時記下彈簧的總長度并記下鉤碼的重力。3增加鉤碼的個數，重復上述實驗過程，將數據填入表格，以F表示彈力，l表示彈簧的總長度，xll0表示彈簧的伸長量。1234567F/N0l/cmx/cm0五、數據處理1.以彈力F(大小等于所掛鉤碼的重力)為縱坐標，以彈簧的伸長量x為橫坐標，用描點法作圖。連接各點，得出彈力F隨彈簧伸長量x變化的圖線，如圖3所示。2以彈簧伸長量為自變量，寫出彈力和彈簧伸長量之間的函數關系。六、誤差分析由于彈簧原長及伸長量的測量都不便于操作，存在較大的測量誤差。另外由于彈簧自身的重力的影響，即當未掛重物時，彈簧在自身重力的作用下，已經有一個伸長量，如果彈簧原長是在彈簧處于水平方向時測量的，Fx圖線往往不過原點。七、注意事項1所掛鉤碼不要過重，以免彈簧被過分拉伸，超出它的彈性限度。2每次所掛鉤碼的質量差適當大一些，從而使坐標紙上描的點適當稀一些，這樣作出的圖線更精確。3測彈簧長度時，一定要在彈簧豎直懸掛且處于靜止狀態(tài)時測量，刻度尺要保持豎直并靠近彈簧，以免增大誤差。4描點畫線時，所描的點不一定都落在一條直線上，但應注意要使不落在直線上的點均勻分布在直線的兩側。5記錄數據時要注意彈力及彈簧伸長量的對應關系及單位。八、實驗結論實驗表明，在彈性限度內，彈簧彈力的大小F跟彈簧伸長的長度x成正比，即Fkx。k稱為勁度系數，單位是N/m。k即Fx圖象的斜率。例3由實驗測得某彈簧的長度x和彈力F的關系如圖所示，求：(1)彈簧的原長；(2)彈簧的勁度系數；(3)用45 N的力拉彈簧時，彈簧的伸長量；(4)當用25 N的力壓彈簧時，彈簧的長度。(1)圖象的橫軸是公式Fkx中的x嗎？提示：不是。Fkx中的x是彈性體長度的變化量，圖中的x是彈簧的長度。(2)圖象中的力為什么有正負？彈簧原長在圖象中怎么看？提示：力的正負表示是拉力還是壓力，以拉力的方向為正。正負的交替處是彈簧原長的位置，也就是彈力為零時，彈簧處于原長。(3)圖線斜率的意義是什么？提示：表示彈簧的勁度系數。規(guī)范解答(1)彈簧不產生彈力時的長度等于彈簧的原長，由題圖可知該彈簧的原長為x015 cm。(2)據Fkx得勁度系數：k。由圖象可知，該彈簧伸長量x25 cm15 cm10 cm時，彈力F50 N，所以，k N/m500 N/m。(3)由公式Fkx可知，用45 N的力拉彈簧時，彈簧的伸長量x1 m0.09 m9 cm。(4)當用25 N的力壓彈簧時，彈簧的壓縮量x2 m0.05 m5 cm，所以此時彈簧的長度xx0x210 cm。完美答案(1)15 cm(2)500 N/m(3)9 cm(4)10 cm某同學在做“探究彈簧伸長量與彈力的關系”的實驗中，所用實驗裝置如圖所示，所用的鉤碼每只質量都是30 g。他先測出不掛鉤碼時彈簧的自然長度，再將5個鉤碼逐個掛在彈簧的下端，每次都測出相應的彈簧總長度，并將數據填在下表中。實驗中彈簧始終未超過彈性限度，取g10 m/s2。試根據這些實驗數據在如圖所示的坐標系中作出彈簧所受彈力大小與彈簧總長度之間的函數關系的圖線。則：鉤碼質量(g)0306090120150彈簧總長度(cm)6.007.008.009.0010.0011.00(1)寫出該圖線的數學表達式F_ N。(2)圖線與橫軸的交點的物理意義是_。(3)該彈簧的勁度系數k_ N/m。(4)圖線延長后與縱軸的交點的物理意義是_。答案見解析解析描點作圖，圖象如圖所示。(1)由圖象可以得出圖線的數學表達式為F(30L1.8) N。(2)圖線與橫軸的交點表示彈簧所受彈力F0時彈簧的長度，即彈簧的原長。(3)圖線的斜率即為彈簧的勁度系數k30 N/m。(4)圖線延長后與縱軸的交點表示彈簧長度為5 cm時的彈力，此時彈簧被壓縮了1 cm，即表示彈簧被壓縮1 cm 時的彈力。課堂任務胡克定律1胡克定律(1)內容：在彈性限度內，彈性體(如彈簧)彈力的大小與彈性體伸長(或縮短)的長度成正比，即Fkx。(2)x為長度變化量，即伸長量或縮短量。(3)k稱為彈簧的勁度系數。k越大，彈簧越“硬”；k越小，彈簧越“軟”。(4)對于有明顯彈性形變的彈簧、橡皮條等物體，彈力的大小可以由胡克定律計算。2應用胡克定律Fkx時要注意下列問題(1)只適用于彈簧發(fā)生彈性形變時，若形變超出彈性限度，此式不再成立。(2)x是彈簧的形變量，不是彈簧的原長，也不是彈簧形變后的實際長度。(3)如圖所示，Fx圖象中斜率表示彈簧的勁度系數，對于同一根彈簧來說，勁度系數是不變的。(4)由于F1kx1，F2kx2，故FF2F1kx2kx1kx，因此，彈簧上彈力的變化量F與形變量的變化量也成正比關系，即Fkx。(5)應用胡克定律計算彈簧的彈力大小時，或判斷彈簧彈力的方向時，都要注意彈簧是被拉伸，還是被壓縮。例4如圖所示，兩根相同的輕彈簧S1、S2，勁度系數都為k4102 N/m，懸掛重物的質量分別為m12 kg，m24 kg，取g10 m/s2，則靜止時S1、S2的伸長量分別為()A5 cm、10 cm B10 cm、5 cmC15 cm、10 cm D10 cm、15 cm(1)胡克定律的表達式是什么？提示：Fkx。(2)S1彈力的大小與m1的重力大小相等嗎？提示：不相等，與m1和m2的重力之和相等。規(guī)范解答(1)彈簧S1的伸長量。(2)彈簧S2的伸長量。完美答案C應用胡克定律時要注意彈簧原長和現在長度的關系，要注意彈簧形變量是伸長量還是壓縮量。此題還應注意，彈簧S2只掛了一個物體，上面的物體對S2只起固定作用。而彈簧S1掛了兩個物體，對彈簧S1來說，將彈簧S2換為一根線，或將兩個物體直接粘在一起都沒有差別。如圖所示，兩木塊質量分別為m1和m2，兩輕質彈簧的勁度系數分別為k1和k2，上面木塊壓在上面的彈簧上(但不拴接)，整個系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。試求兩彈簧的壓縮量x1和x2。答案解析根據二力平衡，上面彈簧對m1的彈力F1與m1的重力m1g是一對平衡力，有：F1m1g，根據胡克定律F1k1x1，得上面彈簧的壓縮量x1；把m1和m2看成一個整體，根據二力平衡，下面彈簧對整體的彈力F2與總重力(m1m2)g是一對平衡力，有：F2(m1m2)g，根據胡克定律F2k2x2，得下面彈簧的壓縮量x2。A組：合格性水平訓練1(彈力的理解)關于彈力的理解，下列說法正確的是()A一個彈力必定聯(lián)系著兩個物體，其中每個物體既是受力物體，又是施力物體B放在桌面上的木塊受到桌面對它向上的彈力，這是由于木塊發(fā)生微小形變而產生的C壓縮彈簧時，手先給彈簧一個壓力，等彈簧再壓縮后才反過來給手一個彈力D兩物體只要接觸，就一定會產生彈力答案A解析力是物體間的相互作用，受力物體同時也是施力物體，施力物體同時也是受力物體，它們同時產生、同時消失，故A正確，C錯誤；放在桌面上的木塊受到桌面給它向上的彈力，這是由于桌面發(fā)生微小形變而產生的，故B錯誤；兩物體如果只是接觸而沒有發(fā)生彈性形變，也不會產生彈力，D錯誤。2.(彈力的判斷)如圖所示，一小球用兩根輕繩掛于天花板上，球靜止，繩1傾斜，繩2恰好豎直，則小球所受的作用力有()A1個 B2個C3個 D4個答案B解析繩1對小球沒有力，否則繩2不會豎直。小球只受重力和繩2的拉力兩個力作用，是二力平衡，B正確。3.(彈力方向)體育課上一學生將足球踢向墻壁，如圖所示，下列關于足球與墻壁作用時墻壁給足球的彈力方向的說法正確的是()A沿v1的方向B沿v2的方向C先沿v1的方向后沿v2的方向D沿垂直于墻壁斜向左上方的方向答案D解析足球碰撞墻壁時受到的彈力的方向一定與墻壁垂直，指向足球，故D正確，A、B、C均錯誤。4.(彈力方向)(多選)一物體A靜止在斜面上，如圖所示，則()A斜面對A的支持力豎直向上BA對斜面的壓力豎直向下C斜面對A的支持力垂直斜面向上DA對斜面的壓力垂直斜面向下答案CD解析根據物體間彈力方向的特點，物體間接觸面上的彈力方向垂直于接觸面指向受力物體，所以C、D兩項正確。5.(彈力的理解)玩具汽車停在模型橋面上，如圖所示，下列說法正確的是()A橋面受向下的彈力，是因為橋梁發(fā)生了彈性形變B汽車沒有發(fā)生形變，所以汽車不受彈力C汽車受向上的彈力，是因為橋梁發(fā)生了彈性形變D汽車受向上的彈力，是因為汽車發(fā)生了形變答案C解析汽車與橋面相互擠壓都發(fā)生了形變，B錯誤；由于橋面發(fā)生彈性形變，所以對汽車有向上的彈力，C正確，D錯誤；由于汽車發(fā)生了形變，所以對橋面產生向下的壓力，A錯誤。6(彈力有無的判斷)如圖所示，將一個鋼球分別放在直壁容器、口大底小的容器和口小底大的容器中，鋼球與各容器的底部和側壁相接觸，處于靜止狀態(tài)。若鋼球和各容器都是光滑的，各容器的底部均處于水平面內，則以下說法中正確的是()A各容器的側壁對鋼球均無彈力作用B各容器的側壁對鋼球均有彈力作用C直壁容器的側壁對鋼球無彈力作用，其余兩種容器的側壁對鋼球均有彈力作用D口大底小的容器的側壁對鋼球有彈力作用，其余兩種容器的側壁對鋼球均無彈力作用答案A解析假設各容器側壁對鋼球均有彈力作用，作出各容器中鋼球的受力分析圖分別如圖a、b、c所示，可見三種情況均與鋼球靜止的題設條件相矛盾，所以原假設不成立，各容器的側壁對鋼球均無彈力作用。因此，本題正確選項為A。7(彈力的理解)(多選)下列說法正確的是()A存在彈力的甲、乙兩物體一定直接接觸且都發(fā)生了形變B物體對桌面的壓力就是重力C繩對物體拉力的方向總是沿著繩而指向繩收縮的方向D勁度系數是彈簧本身的特性，與所受拉力的大小、形變大小都無關答案ACD解析根據彈力產生的條件，A正確。物體對桌面的壓力的施力物體是桌面上的物體，受力物體是桌面，重力的施力物體是地球，受力物體是桌面上的物體，B錯誤。根據繩子拉力方向的特點，C正確。彈簧的勁度系數由彈簧本身決定，與所受拉力及形變大小無關，D正確。8(胡克定律)探究彈力和彈簧伸長的關系時，在彈性限度內，懸掛15 N重物時，彈簧長度為0.16 m；懸掛20 N重物時，彈簧長度為0.18 m，則彈簧的原長L0和勁度系數k分別為()AL00.02 mk500 N/mBL00.10 mk500 N/mCL00.02 mk250 N/mDL00.10 mk250 N/m答案D解析設彈簧原長為L0，勁度系數為k，彈簧的彈力為F1時，伸長量x1L1L0，F1k(L1L0)，即15k(0.16L0)，彈簧的彈力為F2時，伸長量x2L2L0，F2k(L2L0)，即20k(0.18L0)，由上面兩式可解得L00.10 m，k250 N/m。D正確。9.(胡克定律)如圖所示，A、B是兩個相同的彈簧，原長x010 cm，勁度系數k500 N/m，如果圖中懸掛的兩個物體的質量均為m1 kg，求兩個彈簧的總長度。(g10 N/kg)答案26 cm解析對下面物體受力分析，由二力平衡得：kxBmg，求出xB0.02 m2 cm，把兩個物體看成一個整體，由二力平衡得：kxA2mg，求出xA0.04 m4 cm，所以兩個彈簧的總長度為：x0xAx0xB10 cm4 cm10 cm2 cm26 cm。B組：等級性水平訓練10.(胡克定律)如圖所示，一根輕質彈簧，當它上端固定、下端懸掛重為G的物體時，長度為L1；當它下端固定在水平地面上，上端壓一重為G的物體時，其長度為L2，則它的勁度系數是()A. B. C. D.答案D解析由胡克定律知，Gk(L1L0)，Gk(L0L2)，聯(lián)立可得k，D正確。11.(綜合)(多選)如圖所示，A、B兩個物塊的重力分別是GA3 N，GB4 N，彈簧的重力不計，整個