3.1重力與重心課件高一上學(xué)期物理

第3章相互作用第1節(jié)重力與重心無論是被風(fēng)卷起的沙塵、飛舞的落葉(圖3-1)還是被踢起的足球，最終都會(huì)落下來。通過初中物理的學(xué)習(xí)，我們知道這是重力產(chǎn)生的效果。本節(jié)我們將進(jìn)一步學(xué)習(xí)重力及其相關(guān)內(nèi)容。1.力的描述我們已經(jīng)知道，力是物休和物體之間的相互作用，能使物體的形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。例如,用網(wǎng)球拍擊打網(wǎng)球時(shí)，球拍對(duì)球施加力的作用，改變了球的形狀和運(yùn)動(dòng)方向;同時(shí)，球也對(duì)球拍施加力的作用。力的單位是牛頓，簡稱牛，用符號(hào)表示。與位移、速度、加速度一樣，力也是矢量。同樣大小的力，若施力方向不同，作用效果通常也不同。例如,用10N的力向上拉彈簧時(shí)，彈簽伸長;而用10的力向下壓彈簧時(shí)，彈簧縮短(圖3-2)科學(xué)書屋我國古人對(duì)“力”的認(rèn)識(shí)人類很早就對(duì)力有了較深刻的認(rèn)識(shí)?！傲Α痹诩坠俏闹?圖3-3)像一種耕地的農(nóng)具一一未祁。在一根削尖的木棍下部綁一根短橫木，使用時(shí)手持木棍上端，同時(shí)用腳踏橫木，將其戳進(jìn)土里，再壓柄翻土。墨子最早提出力的定義:“力，刑(形)之所以奮也。”物理學(xué)中，可用一條帶箭頭的線段來表示力:線段的長短表示力的大小，箭頭指向表示力的方向，箭尾(或箭頭)所在位置表示力的作用點(diǎn)，線段所在的直線表示力的作用線。這種描述力的方法稱為力的圖示。力的大小、方向、作用點(diǎn)稱為力的三要素。例如圖3-4表示手托書的力大小是3，方向豎直向上，箭尾表示力的作用點(diǎn)為了簡明表示物體的受力情況，有時(shí)只需畫出力的示意圖，即只畫出帶箭頭的線段來表示物體在這個(gè)方向上受到了力的作用，對(duì)線段的長度沒有嚴(yán)格要求。2.重力及其測量學(xué)習(xí)初中物理時(shí)我們就知道，因地球的吸引而使物體受到的力稱為重力(gravity)物體所受重力的大小常簡稱為物重。通常，重力的大小可用彈簧測力計(jì)測出。測量時(shí)使物體保持靜止這樣測力計(jì)的示數(shù)就等于物體所受重力的大小(圖3-5)在日常生活中，我們也常用電子秤稱量物重。重力還可通過計(jì)算得出。學(xué)習(xí)初中物理時(shí)，我們通過實(shí)驗(yàn)得知物體所受的重力G與其質(zhì)量m的關(guān)系為G=mgG=mg式中的比例系數(shù)g=9.8N/kg學(xué)過本教科書第5章后你就會(huì)明白，這個(gè)比例系數(shù)g就是前面學(xué)過的自由落體加速度。重力的方向具有特殊性。掛著重物的繩子靜止時(shí)總是豎直綁緊下垂，自由落體總是豎直下落，這表明，重力的方向總是豎直向下。利用這一特點(diǎn)，我們可檢查物體是否豎直或水平放置，也可檢查其傾斜程度?？茖W(xué)書屋四種基本相互作用現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，自然界中所有的作用力，從本質(zhì)上來說都可歸結(jié)為四種基本相互作用:引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。引力相互作用是任何物體間相互吸引的一種力，重力就是由地球與其表面物體之間的引力相互作用而產(chǎn)生的，如瀑布、石頭等下落都是引力相互作用的結(jié)果。彈力、摩擦力以及分子間作用力本質(zhì)上都是物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子之間的電磁相互作用。原子核內(nèi)部基本粒子之間的相互作用有強(qiáng)相互作用和弱相互作用。3.物體的重心如果要用一根手指把一只盤子頂穩(wěn)(圖3-6)，手指應(yīng)該頂在盤底的什么位置?其實(shí)，這個(gè)問題與物體的重心有關(guān)。處在地球附近的物體，雖然它的各個(gè)組成部分都受重力的作用，但從效果上看，可認(rèn)為重力集中作用在一個(gè)點(diǎn)上，我們把這個(gè)點(diǎn)視為重力的等效作用點(diǎn)，稱為物體的重心。任何物體都有重心，而且只有一個(gè)重心。質(zhì)量分布均勻的物體(簡稱“均勻物體”)其重心的位置只與物體的形狀有關(guān)。如果均勻物體的形狀是規(guī)則的，那么重心就在它的幾何中心。例如，均勻方形板的重心在板的中心點(diǎn)上;均勻圓球，不論是實(shí)心的還是空心的，重心都在球心上。質(zhì)量分布不均勻的物體，重心的位置除跟物體的形狀有關(guān)之外，還跟物體的質(zhì)量分布情況有關(guān)。有些物體的重心不一定在物體上。迷你實(shí)驗(yàn)室圓錐為什么會(huì)向“上”滾用厚紙片做兩個(gè)相同的圓錐，把它們對(duì)接粘在一起。在書脊上架兩根筷子作為軌道，使兩根筷子間的距離在較高的-端比稍低的-端略大一些(圖3-7)。把圓錐放在較低-端的軌道上，你會(huì)發(fā)現(xiàn)圓錐會(huì)向“上”滾動(dòng)。試一試，并分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。重心的高低會(huì)影響物體的穩(wěn)定。例如，我國古代的汲水瓶(圖3-8)，當(dāng)未裝水時(shí)，它會(huì)傾倒，把它放到水里，水會(huì)自動(dòng)流進(jìn)去。當(dāng)瓶中汲入適量的水時(shí)，瓶的重心降低，提繩時(shí)瓶就會(huì)被直立著提上來。當(dāng)瓶中的水太滿時(shí),瓶的重心升高，瓶又會(huì)自動(dòng)傾倒，將多余的水倒出。這種汲水瓶巧妙地利用重心變換，使得汲水方便、省力，又能控制汲水量，充分體現(xiàn)了我國古代勞動(dòng)人民的智慧。觀察我們的周圍，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不少巧妙利用重心的事例。例如，高大的建筑物通常是上小下大;裝運(yùn)貨物時(shí)，總是把重的物品放在下面，輕的物品放在上面。這些都是為了降低重心，提高穩(wěn)定程度。在走鋼絲表演(圖3-9)中，表演者充分考慮了重心的位置，能在鋼絲上來去自如。節(jié)練習(xí)1.用質(zhì)點(diǎn)代表受力物體，取重力加速度g=10N/kg，試畫出下列幾個(gè)力的圖示，并指明施力物體和受力物體。(1)水平桌面對(duì)放在來面上的書產(chǎn)生5N堅(jiān)直向上的支持力。(2)某人用800N的力沿與水平面成30°的斜面向右上方拉一輛小車。(3)質(zhì)量為0.06kg的小球沿斜面滾下時(shí)受到的重力。(4)質(zhì)量為5×104kg的飛機(jī)在空中飛行時(shí)受到的重力。2.用彈簧測力計(jì)堅(jiān)直懸掛一靜止小球。下列說法正確的是A小球?qū)椈蓽y力計(jì)的拉力就是小球所受的重力B.小球?qū)椈蓽y力計(jì)的拉力大小等于小球所受的重力大小C.小球所受拉力的施力物體是地球D.小球所受變力的施力物體是彈簧測力計(jì)CD3.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)簡便易行的實(shí)驗(yàn)方案，說出矩形磚塊、無縫鐵環(huán)、有橡皮擦的鉛筆的重心的大致位置，并根據(jù)它們重心的位置討論:重心一定在物體上嗎?具有規(guī)則幾何形狀的物體，重心一定與幾何中心重合嗎?重心位置與物體的形狀和質(zhì)量分布有關(guān)。形狀規(guī)則、質(zhì)量分布均勻的物體重心位置在幾何中心。矩形磚塊質(zhì)量分布較均勻，因此，重心位置在幾何中心。無縫鐵環(huán)的質(zhì)量分布較均勻，因此，重心位置在圓心。帶橡皮擦的鉛筆，由于橡皮擦密度比鉛筆小，帶橡皮擦的鉛筆重心位置離橡皮擦一端較遠(yuǎn)重心位置不一定在物體上，例如無縫鐵環(huán)的重心不在鐵環(huán)上。具有規(guī)則幾何形狀的物體，重心位置還與質(zhì)量分布有關(guān)，故重心不一定與幾何中心重合例如帶橡皮擦的鉛筆重心位置與幾何中心不重合且離橡皮擦一端較遠(yuǎn)4.如圖所示，將標(biāo)好刻度的圓形白紙貼于矩形術(shù)板作為表盤，使兩個(gè)0刻度所在直徑與木板底邊垂直。把鐵皮剪成指針形狀，將小鋼珠固定于指針尾端，然后將指針固定在位于圓心的自制轉(zhuǎn)軸上。當(dāng)木板底邊水平放置時(shí)，指針在鋼珠的作用下尖端朝上，并剛好指到0°。這樣，一個(gè)傾角儀使制作好了。請(qǐng)動(dòng)手做一做，并說出這個(gè)傾角儀的工作原理。指針(包括鋼珠)的重心在轉(zhuǎn)軸的下方，在重力作用下指針針尖總指向豎直向上，因此將矩形木板置于斜面上時(shí)指針與0刻度間的夾角即為斜面傾角。

6.運(yùn)動(dòng)員跳高過程中身體的重心是隨時(shí)改變的。