新教材高中物理相互作用第2節(jié)科學(xué)探究彈力課件魯科版必修第一冊

第3章運(yùn)動的描述第2節(jié)科學(xué)探究彈力課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.知道形變的概念及彈力產(chǎn)生的原因和條件,能正確確定彈力的方向。2.理解、掌握胡克定律及勁度系數(shù)。1.物理觀念:能利用相互作用觀念說明生產(chǎn)生活中的相關(guān)現(xiàn)象。2.科學(xué)思維:能在熟悉的情境中對物體受力情況進(jìn)行分析和推。3.科學(xué)探究:能設(shè)計(jì)和理解一些探究微小形變的方法。4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:通過對彈力的探究,能認(rèn)識實(shí)驗(yàn)對物理研究的重要性;培養(yǎng)學(xué)習(xí)物理的興趣,知道實(shí)事求是和與他人合作的重要性。自主學(xué)習(xí)·必備知識教材原句教材研習(xí)要點(diǎn)一彈性形變和范性形變某些發(fā)生形變?的物體在撤去外力后能恢復(fù)原狀,這種物體稱為彈性體,對應(yīng)

的形變稱為彈性形變?,如壓縮的彈簧、撥動的琴弦等。有些物體發(fā)生形變

后不能恢復(fù)原狀,這種形變稱為范性形變,如壓扁的面包和橡皮泥等。要點(diǎn)二彈力的理解相互接觸的物體發(fā)生彈性形變時,由于物體要恢復(fù)原狀,物體會對與它接觸的

另一物體產(chǎn)生力的作用,這種力稱為彈力?。通常所說的壓力、支持力、拉

力等都是彈力。彈力的方向?總是與物體形變的方向相反。?常見的形變類型有哪些?自主思考提示拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等。?(1)發(fā)生彈性形變的物體一定會產(chǎn)生彈力嗎?(2)舉一些彈性形變的例子。提示(1)一定。(2)射箭時用的弓,跳水用的跳板,車輛上的減震彈簧,沙發(fā)上的海綿墊……?(1)產(chǎn)生彈力需要什么條件?站在地面上的人受到的彈力是如何產(chǎn)生的?(2)彈力的作用點(diǎn)在哪兒?(3)彈力的大小如何確定?提示(1)兩個條件必須同時存在,一是接觸,二是發(fā)生彈性形變。站在地面

上的人受到的彈力是由于人對地面擠壓使地面產(chǎn)生形變,形變恢復(fù)產(chǎn)生的作

用力。(2)接觸點(diǎn)。(3)彈力的大小與形變量有關(guān),一般要結(jié)合物體的運(yùn)動狀態(tài)分析。?(1)如何理解彈力的方向?(2)放在桌面上的書受到彈力方向指哪兒?提示(1)彈力的方向總是與物體形變的方向相反,即指向形變恢復(fù)的方向,

或者說指向使其產(chǎn)生形變的物體(即受力物體)。(2)垂直于桌面指向書。名師點(diǎn)睛1.常見彈力:平時所說的壓力、支持力和拉力都是彈力。繩子的彈力通常稱

為張力。(1)壓力和支持力的方向垂直于物體的接觸面。(2)繩的拉力沿著繩而指向繩收縮的方向。(3)幾種常見彈力的方向接觸面上的彈力類型方向圖例接觸方式

垂直公共接觸面指向受力物體

過接觸點(diǎn),垂直于接觸面(或接觸面的切面)指向受力物體

垂直于過接觸點(diǎn)的公切面指向受力物體

類型方向圖例輕繩沿繩指向繩收縮的方向

輕桿可沿桿、可不沿桿

輕繩、輕桿、輕彈簧上的彈力輕彈簧沿彈簧形變的反方向

互動探究·關(guān)鍵能力探究點(diǎn)一形變與彈力的方向情境探究1.找一塊海綿,動手做下述實(shí)驗(yàn):拉、壓、彎、扭、揉海綿,觀察發(fā)生的現(xiàn)

象。提示都發(fā)生了不同程度的形變。2.仔細(xì)觀察下面幾幅圖,結(jié)合海綿的形變,找出他們的相同點(diǎn)。

提示前三幅圖都產(chǎn)生了明顯形變,后兩個圖雖然沒有發(fā)生明顯形變,但通過

放大法可以知道用手壓桌面及用力壓瓶子時均會發(fā)生不明顯的形變。探究歸納1.彈力的成因相互接觸的物體間不一定存在彈力,只有當(dāng)兩個物體相互擠壓或拉伸而發(fā)生

形變時,由于物體要恢復(fù)原狀,才在接觸位置對與它接觸的物體產(chǎn)生彈力。彈力的符號通常用N、FN或T表示。

彈力產(chǎn)生的過程為:

(1)直接法對于形變比較明顯的情況,可以根據(jù)彈力產(chǎn)生的條件判斷,兩個條件都滿足時

才有彈力產(chǎn)生。(2)假設(shè)法要判斷物體在某一接觸位置是否受彈力作用,可假設(shè)將在此處與物體接觸的

另一物體去掉,看物體是否在該位置保持原來的狀態(tài),若能保持原來的狀態(tài),

則說明物體間無彈力作用,否則有彈力作用。(3)狀態(tài)法看除了要研究的彈力外,物體所受的其他作用力與物體的運(yùn)動狀態(tài)是否滿足

相應(yīng)的規(guī)律(目前主要應(yīng)用二力平衡的規(guī)律)。若滿足,則無彈力存在;若不滿

足,則有彈力存在。(4)替換法可以將硬的、形變不明顯的施力物體(假設(shè)施力)用軟的、易產(chǎn)生明顯形變

的物體來替換。如將墻壁、斜面用海綿來替換,將硬桿用輕彈簧來替換。(5)作用效果法:如果相互接觸的物體間存在彈力,則必有相應(yīng)的作用效果,或平衡其他作用力,或改變受力物體的運(yùn)動狀態(tài),可利用作用效果確定彈力的有

無,例如圖中小球與平面1、2的接觸面光滑,且小球沒有發(fā)生水平運(yùn)動,表明

平面1對小球無彈力作用。

探究應(yīng)用例圖中物體a、b均處于靜止?fàn)顟B(tài),a、b間一定有彈力的是

()

B解析

在題圖A、C、D中,若將物體b拿走,物體a仍能保持原來的靜止?fàn)?/p>

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(yùn)動,故物體a、b間存在彈力。解析感悟彈力的產(chǎn)生必須同時具備兩個條件:(1)物體間相互接觸;(2)接觸面相互作用發(fā)生形變,且要恢復(fù)原狀。遷移應(yīng)用1.下列各圖中小球之間不存在彈力的是(所有接觸面都是光滑的)

()

解析

因?yàn)榻佑|面光滑,所以B圖中兩球間沒有擠壓,不存在彈力。而選

項(xiàng)A、C、D中兩球之間均發(fā)生擠壓,由此知選項(xiàng)B正確,A、C、D錯誤。B2.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?yàn)闃蛄喊l(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?yàn)闃蛄喊l(fā)生了彈性形變D.汽車受向上的彈力,是因?yàn)槠嚢l(fā)生了形變C解析

汽車與橋面相互擠壓都發(fā)生了形變,B錯誤;由于橋梁發(fā)生了彈性

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)生了彈性形變,所

以對橋面產(chǎn)生向下的彈力,A錯誤。情境探究探究點(diǎn)三彈力的方向1.分析以下圖中接觸面上有沒有彈力,畫出其示意圖。

提示接觸面上的彈力與接觸面垂直,指向形變恢復(fù)的方向,對點(diǎn)點(diǎn)接觸問

題,彈力垂直接觸點(diǎn)的切線方向,具體受力示意圖如圖所示。

2.分析輕繩對球的拉力。

提示繩子受到拉力后會有形變,由于收縮而產(chǎn)生彈力,故繩上彈力方向沿繩

指向繩收縮的方向,具體拉力如圖所示。

AB為輕質(zhì)桿,圖中桿的A、C端都通過鉸鏈與墻連接,桿在B處由鉸鏈

連接,且系統(tǒng)均處于靜止?fàn)顟B(tài),圖乙為一個彈性桿上端固定著一個小球,下端

固定在斜面上,分析桿對B點(diǎn)及小球的作用力。

提示帶活動軸的輕桿彈力只能沿桿,既可以是拉力,也可以是支持力,而固

定桿對物體的作用力根據(jù)情況而定,可以指向任何方向。

探究歸納2.點(diǎn)與面接觸時彈力的方向,過接觸點(diǎn)垂直于接觸面(或接觸面的切面),而指向受力物體。3.球與面接觸時彈力的方向,在接觸點(diǎn)與球心的連線上,而指向受力物體。4.球與球相接觸時彈力的方向,垂直于過接觸點(diǎn)的公切面,而指向受力物體。常見的幾種彈力的方向1.面與面接觸時彈力的方向,垂直于接觸面而指向受力物體。5.輕繩對物體的彈力方向,沿繩指向繩收縮的方向。6.帶活動軸的輕桿兩端受到拉伸或擠壓時會出現(xiàn)彈性拉力或壓力,拉力或壓

力的方向沿輕桿方向。而有一端固定的輕桿,當(dāng)桿受力較復(fù)雜時,要具體分

析。桿的彈力可以指向任何方向,而不一定非要沿桿的方向。7.彈簧兩端的彈力方向,與彈簧中心軸線相重合,指向彈簧恢復(fù)原狀的方向。探究應(yīng)用例分別畫出圖甲、乙中小球、圖丙中桿的受力示意圖。(圖甲中小球用細(xì)

繩掛在光滑的墻壁上,圖乙中小球用細(xì)繩拴著靜止在桌角,圖丙中桿一端放在

光滑的半球形碗中,另一端靠在墻壁上)

答案見解析解析受力示意圖如圖所示。

解析感悟判斷分析彈力方向時,要注意彈力的特點(diǎn),壓力、支持力的方向都垂直于接觸

面,確定它們方向的關(guān)鍵是找準(zhǔn)它們的接觸面或接觸點(diǎn)的切面,輕繩中的彈力

一定沿繩指向繩收縮的方向。遷移應(yīng)用1.(多選)如圖所示,底端置于粗糙水平地面上的桿,其頂端被一根細(xì)線用手拉

住,桿處于靜止?fàn)顟B(tài),細(xì)線水平,下列說法正確的是

()

A.桿對細(xì)線的彈力方向?yàn)樗较蛴褺.細(xì)線對桿的彈力方向垂直桿向左C.桿受到地面的彈力是地面的形變產(chǎn)生的AC解析

細(xì)線水平,則細(xì)線對桿的彈力方向水平向左,桿對細(xì)線的彈力方

向?yàn)樗较蛴?A正確,B錯誤;桿受到地面的彈力的施力物體是地面,桿受到地

面的彈力是地面的形變產(chǎn)生的,C正確;地面受到桿的彈力垂直于地面向下,D

錯誤。2.如圖所示,一根直棒放在臺階上,Fa、Fb、Fc、Fd分別表示A、B兩點(diǎn)可能所

受的彈力。其中Fa、Fc豎直向上,Fb、Fd垂直于棒的方向斜向上。其中正確

表示棒上A、B兩點(diǎn)所受彈力的是

()

A.Fa、Fc

B.Fb、Fc

B解析

棒與支點(diǎn)在A點(diǎn)接觸,故彈力應(yīng)垂直于棒斜向上,故棒上A點(diǎn)所受彈

力為Fb,棒與地面在B點(diǎn)接觸,因此棒上B點(diǎn)所受彈力應(yīng)垂直于地面向上,為Fc,B

正確,A、C、D錯誤。探究點(diǎn)三彈力的大小——胡克定律知識深化大量實(shí)驗(yàn)研究表明,在彈性限度內(nèi),彈簧彈力F的大小與彈簧伸長(或壓縮)的

長度x成正比,即F=kx。這個規(guī)律叫作胡克定律。式中k叫作彈簧的勁度系數(shù),

單位是牛頓每米,符號是N/m。(1)成立條件:在彈性限度內(nèi)。(2)對F=kx的理解①x是彈簧的形變量,而不是彈簧形變后的長度。②k為彈簧的勁度系數(shù),反映彈簧本身的屬性,由彈簧的長度、粗細(xì)、材料等

因素決定,與彈力F的大小和形變量x無關(guān)。③F-x圖像是一條過原點(diǎn)的傾斜直線(如圖所示),直線的斜率表示彈簧的勁度

系數(shù)k。

④彈簧彈力的變化量ΔF與形變量的變化量Δx也成正比,即ΔF=kΔx。題組過關(guān)1.如圖所示,一勁度系數(shù)為k、原長為l的輕彈簧,上端固定在天花板上,下端懸

掛一木塊。木塊處于靜止?fàn)顟B(tài)時彈簧的伸長量為Δl(彈簧的形變在彈性限度

內(nèi)),則木塊所受重力的大小等于

()

A.

B.

C.Δl

D.k·Δl解析

彈簧伸長了Δl,根據(jù)胡克定律得F=kΔl;木塊保持靜止,故木塊對彈

簧的拉力等于木塊的重力,即F=G;因而G=kΔl,故D正確。D2.如圖所示,用細(xì)線將A物體懸掛在頂板上,B物體放在水平地面上,A、B間有

一勁度系數(shù)為100N/m的輕彈簧,此時彈簧伸長了2cm,已知A、B兩物體的重

力分別是3N和5N,則細(xì)線的拉力及地面對B的支持力的大小分別是

()

A.1N和0N

B.5N和3NC.5N和7N

D.7N和7NB解析

以A為研究對象受力分析有:細(xì)線的拉力T=GA+kx,解得T=5N;以B

為研究對象受力分析有:FN+kx=GB,解得FN=3N,則地面對B的支持力大小為3

N。評價(jià)檢測·素養(yǎng)提升課堂檢測1.松鼠在中國的東北和華北各地十分常見,如圖所示,一只松鼠站在傾斜的樹枝上,則樹枝對松鼠的彈力的方向?yàn)?/p>

()

A.豎直向上

B.豎直向下C.垂直樹枝斜向上D.沿樹枝方向解析

彈力的方向總是垂直于接觸面指向受力物體,C項(xiàng)正確。CA所受彈力的示意圖。

答案如圖所示。

解析題圖甲中球A擠壓左壁和右側(cè)棱角,受到左壁向右的彈力和棱角指向

球心的彈力;題圖乙中球A擠壓斜面和擋板,受到斜面垂直斜面向上的彈力和

擋板向右的彈力;題圖丙物體A擠壓曲面,受到垂直曲面切面向上的彈力。3.(★)(多選)如圖所示是鍛煉身體用的拉力器,并列裝有四根相同的彈簧,每根

彈簧的自然長度都是40cm,某人用600N的力把它們拉長至1.6m,則

()

A.人的每只手受到拉力器的拉力為300NB.每根彈簧的彈力為150NC.每根彈簧的勁度系數(shù)為125N/mD.每根彈簧的勁度系數(shù)為500N/mBC解析

每只手受到的拉力均為600N,A錯誤;每根彈簧的彈力為F=

N=150N,B正確;每根彈簧的勁度系數(shù)k=

=

N/m=125N/m,C正確,D錯誤。素養(yǎng)視角彈簧的等效勁度系數(shù)勁度系數(shù)為k1、k2的兩根彈簧串聯(lián)時,每根彈簧受力都是F因此勁度系數(shù)為k1的彈簧,由胡克定律得,F=k1x1對勁度系數(shù)為k2的彈簧,由胡克定律得,F=k2x2對彈簧整體滿足:F=k(x1+x2)=k

所以等效彈簧的勁度系數(shù)k=

科學(xué)思維同理可證明,當(dāng)兩彈簧并聯(lián)時,等效彈簧的勁度系數(shù)為k=k1+k2。兩根勁度系數(shù)分別為k1和k2的輕質(zhì)彈簧a、b串聯(lián)在一起,a彈簧的一端固定在墻上,如圖所示,開始時彈簧均處于原長,現(xiàn)將水平拉力作用在b彈簧的P端緩慢向右拉動彈簧,當(dāng)水平外力的大小為F時,b彈簧的伸長量為l,則此時

(

)素養(yǎng)演練A.a彈簧產(chǎn)生的彈力為

FB.a彈簧的伸長量為

C.P端向右移動的距離為

D.P端向右移動的距離為

B解析兩根輕彈簧串聯(lián),彈力大小相等,即F=k2l,根據(jù)胡克定律F=kx得彈

力一定時x與k成反比,則得a彈簧的伸長量為

l,故A錯誤,B正確;P端向右移動的距離等于兩根彈簧伸長量之和,即Δx=l+

=

l,故C、D錯誤。1.如圖,一根勁度系數(shù)為k的輕彈簧,原長為x0,下端掛鉤碼時長度為x1,彈簧在彈

性限度內(nèi),則

()C.此時彈簧彈力的大小為k(x1-x0)D.此時彈簧彈力的大小為kx1

CA.此時彈簧彈力的大小為k(x1-x0)2B.此時彈簧彈力的大小為?解析輕彈簧原長為x0,下端掛鉤碼時長度為x1,則彈簧的伸長量為x=x1-x0,根

據(jù)胡克定律得彈簧彈力的大小為F=kx=k(x1-x0),故選C。2.下列關(guān)于彈力的說法,正確的是

()解析彈力產(chǎn)生的條件是接觸并且發(fā)生彈性形變,方向與物體形變的方向相

反。D3.乒乓球運(yùn)動在我國十分普及。如圖所示,乒乓球與球桌作用時,關(guān)于桌面給

乒乓球的彈力方向,下列說法正確的是

()

Cv1的方向后沿v2的方向解析乒乓球落到桌面上屬于點(diǎn)面接觸,則桌面給乒乓球的彈力方向垂直桌面向上。4.(多選)(2021安徽定遠(yuǎn)啟明民族中學(xué)高一月考)如圖所示,一傾角為45°的斜

面體固定于豎直光滑墻上,為使一光滑的鐵球靜止,需施加一水平力F,且力F

方向通過球心,則下列說法正確的是

()

A.球一定受到墻的彈力且水平向左B.球可能受到墻的彈力且水平向左C.球可能受到斜面的彈力且垂直斜面向上D.球一定受到斜面的彈力且垂直斜面向上解析

用移除法和假設(shè)法分析。BD

()A.木塊放在桌面上受到向上的彈力,是木塊發(fā)生微小形變而產(chǎn)生的B.木塊放在桌面上受到向上的彈力,是桌面發(fā)生微小形變而產(chǎn)生的C.用一根細(xì)竹竿撥動水中的木頭,木頭受到竹竿的推力,是木頭發(fā)生形變而產(chǎn)

生的D.掛在電線下面的電燈受到向上的拉力,是電燈發(fā)生微小形變而產(chǎn)生的B解析一個物體受到彈力作用,其本質(zhì)是施力物體發(fā)生彈性形變后欲恢復(fù)原

狀而對使它形變的物體產(chǎn)生的作用。A.l4=l3=l2=l1

B.l4>l3>l2>l1C.l1>l3>l4>l2

D.l1>l3=l4>l2

A解析彈簧受到的拉力與其伸長量成正比,由于四種情況下右端受到大小皆

為F的拉力,與左端的受力情況無關(guān),故題圖中彈簧的伸長量是相同的。解析根據(jù)物體的平衡條件和假設(shè)法判斷彈力的有無。7.如圖所示的四種情況中,小球A均靜止,各接觸面均光滑,小球A受到兩個彈

力的是

()

C8.有一種圓珠筆,內(nèi)部有一根彈簧,如圖所示,當(dāng)筆桿豎直放置時,在圓珠筆頂

部的按鈕上放一個100g的砝碼,砝碼靜止時,彈簧的壓縮量為2mm(未超過彈

簧的彈性限度)。g=10m/s2,下列說法正確的是

()A.若圓珠筆的頂部放一個200g的砝碼,彈簧的壓縮量一定為4mmB.筆內(nèi)彈簧的勁度系數(shù)是500N/mC.筆內(nèi)彈簧的勁度系數(shù)是50N/mD.若圓珠筆的頂部放一個質(zhì)量更大的砝碼,筆內(nèi)彈簧的勁度系數(shù)也隨之增大B解析勁度系數(shù)是彈簧自身因素決定的,與形變量無關(guān),由胡克定律可計(jì)算勁

度系數(shù)。9.如圖所示,傾角為30°、重為80N的斜面體靜止在水平地面上,一根彈性輕

桿一端垂直固定在斜面體上,輕桿的另一端固定一個重為2N的小球,小球處

于靜止?fàn)顟B(tài)時,下列說法正確的是

()A.輕桿對小球的作用力沿輕桿向上,大于2NB.地面對斜面體的支持力為80NC.小球?qū)p桿的作用力為2N,方向豎直向上D.輕桿對小球的作用力為2N,方向垂直斜面向上C解析把小球、輕桿和斜面體看作一個系統(tǒng),受力分析可知,系統(tǒng)僅受重力和

地面的支持力,且二力平衡,故B項(xiàng)錯誤;對小球受力分析知,小球只受豎直向

下的重力和輕桿給的豎直向上的彈力(輕桿對小球的力不一定沿輕桿方向),

且二力平衡,故C項(xiàng)正確,A、D兩項(xiàng)錯誤。10.(多選)如圖所示,用三根相同的彈簧按不同方式懸掛質(zhì)量均為1kg的小球,

彈簧、繩子質(zhì)量和摩擦均不計(jì),每根彈簧都伸長了5cm。已知彈簧沒有超過

彈性限度,取重力加速度g=10m/s2。下列說法正確的是

()

A.F1=10NB.F2=10NC.F3=0D.彈簧的勁度系數(shù)為200N/mABDDA.此時A、B兩彈簧均處于原長狀態(tài)B.此時A彈簧處于壓縮狀態(tài),B彈簧處于拉伸狀態(tài)C.此時A、B兩彈簧彈力相等D.此過程質(zhì)量為m2的物體上升的高度是

+

解析托起前,兩個彈簧的形變量分別為x1=

,x2=

,托起后,若兩個彈簧的總長度等于兩彈簧原長之和,則此時A彈簧處于拉伸狀態(tài),B彈簧處于

壓縮狀態(tài),且兩彈簧的形變量相等,設(shè)該形變量為x,由平衡條件得k1x+k2x=m1g,

此過程質(zhì)量為m2的物體上升的高度是h=(x1-x)+(x2+x)=x2+x1=

+

。12.一根輕質(zhì)彈簧在10.0N的拉力作用下,其長度由原來的5.00cm伸長為6.00

cm。求:(彈簧始終在彈性限度內(nèi))(1)當(dāng)這根彈簧長度為4.20cm時,彈簧受到的壓力大小;(2)當(dāng)彈簧受到15N的拉力時,彈簧的長度是多少。答案(1)8.0N(2)6.50cm解析(1)彈簧原長L0×10-2m在拉力F1=10.0N的作用下伸長到L1×10-2m根據(jù)胡克定律得F1=kx1=k(L1-L0)解得彈簧的勁度系數(shù)k=

×103N/m設(shè)當(dāng)壓力為F2時彈簧被壓縮到L2×10-2m根據(jù)胡克定律得,壓力F2=kx2=k(L0-L2×103N/m×(5.00-4.20)×10-2m=8.0N(2)設(shè)彈簧的彈力F=15N時彈簧的伸長量為x由胡克定律得x=

=

×10-2m=1.5