2024-2025學(xué)年新教材高中物理第3章相互作用第2節(jié)科學(xué)探究：彈力學(xué)案魯科版必修第一冊

PAGE10-第2節(jié)科學(xué)探究：彈力學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.[物理觀念](1)知道形變、彈性形變、彈性限度及彈力的概念．(2)知道胡克定律的內(nèi)容及表達(dá)式．2.[科學(xué)思維]理解彈力及胡克定律，并能分析和解決實(shí)際問題．3.[科學(xué)探究]學(xué)會依據(jù)設(shè)定的方案進(jìn)行試驗(yàn)探究，會分析數(shù)據(jù)、誤差，會通過與他人溝通解決試驗(yàn)中的問題．4.[科學(xué)看法與責(zé)任]通過對彈力的探究，相識試驗(yàn)對物理探討的重要性，提高學(xué)習(xí)愛好，加強(qiáng)與他人合作．一、形變與彈力1．形變：物體發(fā)生的伸長、縮短、彎曲等形態(tài)的變更稱為形變．2．彈性體及彈性形變(1)彈性體是撤去外力后能復(fù)原原狀的物體．(2)彈性形變指彈性體發(fā)生的形變．3．范性形變：物體發(fā)生形變后不能復(fù)原原狀，這種形變叫范性形變．4．彈性限度：彈性體的形變不能無限增大，若超過肯定的限度，撤去外力時物體就不能復(fù)原原狀，這個限度稱為彈性限度．5．彈力的定義：相互接觸的物體發(fā)生彈性形變時，由于物體要復(fù)原原狀，物體會對與它接觸的另一物體產(chǎn)生力的作用，這種力叫彈力．6．彈力的方向：彈力的方向總是與物體形變的方向相反，以使物體復(fù)原原狀．說明：彈力的方向與施力物體形變方向相反，指向受力物體．二、胡克定律1．內(nèi)容：在彈性限度內(nèi)，彈簧彈力的大小與彈簧伸長(或壓縮)的長度成正比．2．公式：F＝kx.3．適用條件：在彈性體的彈性限度內(nèi)．4．勁度系數(shù)：是一個有單位的物理量，單位為N/m.彈簧的勁度系數(shù)為1N/m的物理意義：彈簧伸長或縮短1m時產(chǎn)生的彈力大小為1N.留意：F＝kx中的x是彈簧的形變量，是彈簧伸長(或縮短)的長度．1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)使物體發(fā)生形變的外力撤去后，物體肯定能夠復(fù)原原來狀態(tài)． (×)(2)只要兩個物體相互接觸，兩個物體之間肯定能產(chǎn)生彈力． (×)(3)兩物體之間有彈力作用時，兩物體肯定接觸． (√)(4)由F＝kx可知k＝eq\f(F,x)，故勁度系數(shù)k與外力F成正比，與形變量x成反比． (×)2．關(guān)于彈性形變，下列說法正確的是()A．物體形態(tài)的變更稱為彈性形變B．一根鐵絲被用力折彎后的形變就是彈性形變C．物體在外力停止作用后，能夠復(fù)原原狀的形變稱為彈性形變D．物體在外力作用下的形變稱為彈性形變C[外力停止作用后，能夠復(fù)原原狀的形變稱為彈性形變，C正確．]3．一輛汽車停在水平地面上，下列說法中正確的是()A．地面受到了向下的彈力，是因?yàn)榈孛姘l(fā)生了彈性形變；汽車沒有發(fā)生形變，所以汽車不受彈力B．地面受到了向下的彈力，是因?yàn)榈孛姘l(fā)生了彈性形變；汽車受到了向上的彈力，是因?yàn)槠囈舶l(fā)生了形變C．汽車受到向上的彈力，是因?yàn)榈孛姘l(fā)生了形變；地面受到向下的彈力，是因?yàn)槠嚢l(fā)生了形變D．以上說法都不正確C[汽車停在水平地面上，因?yàn)榈孛姘l(fā)生了向下的形變，所以地面為復(fù)原原狀對與之接觸的汽車產(chǎn)生一個向上的彈力作用；因?yàn)槠嚨能囕啺l(fā)生了向上的形變，所以車輪為復(fù)原原狀對與之接觸的地面產(chǎn)生向下的彈力作用，故只有C項(xiàng)正確．]形變?nèi)鐖D所示是英國物理學(xué)家卡文迪許為了測量萬有引力常量而設(shè)計(jì)的扭秤原理圖．已知相鄰兩個小球之間存在很小的萬有引力，使T形架產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，T形架轉(zhuǎn)動的結(jié)果是使硬質(zhì)的石英絲發(fā)生形變，抗拒T形架的轉(zhuǎn)動，最終達(dá)到靜止平衡．請回答下列問題．卡文迪許扭秤原理圖探究：(1)石英絲發(fā)生了什么種類的形變？(2)試說明該裝置采納的放大原理．提示：(1)石英絲發(fā)生的是扭轉(zhuǎn)形變．(2)該裝置進(jìn)行了兩次放大，一是盡可能地增大T型架連接兩球的水平直桿的長度，使兩球間萬有引力產(chǎn)生較大的力矩，使桿偏轉(zhuǎn)；二是增大弧度尺與系統(tǒng)的距離，使小鏡子的反射光在標(biāo)尺上產(chǎn)生較明顯的長度變更．1．形變的兩種狀況(1)形態(tài)的變更：指受力時物體的外觀發(fā)生變更，如橡皮條拉伸時由短變長；撐竿跳高時，運(yùn)動員手中的撐竿由直變曲等．(2)體積的變更：指受力時物體的體積發(fā)生變更，如用力壓排球，排球的體積變小；用力壓海綿，海綿的體積變?。?．顯示微小形變的方法(1)光學(xué)放大法：如圖所示，在一張大桌子上放兩個平面鏡M和N，讓一束光依次被兩面鏡子反射，最終射到墻上，形成一個光點(diǎn)P.用力壓桌面時，桌面發(fā)生了形變，雖然形變量很小，但鏡子要向桌面中間傾斜，由于兩個鏡子間距較大，光點(diǎn)在墻上有明顯移動，把桌面的形變顯示出來．(2)力學(xué)放大法：如圖所示，把一個圓玻璃瓶瓶口用中間插有細(xì)管的瓶塞堵上，用手輕壓玻璃瓶，玻璃瓶發(fā)生形變，容積減小，水受擠壓上升，松開手后，形變復(fù)原，水面落回原處．【例1】如圖所示，在一張大桌子上放兩個平面鏡M和N，讓一束光依次被兩面鏡子反射，最終射到墻上，形成一個光點(diǎn)P.用力壓桌面，視察墻上光點(diǎn)位置的變更．下列說法中正確的是()A．F增大，P不動 B．F增大，P上移C．F減小，P下移 D．F減小，P上移思路點(diǎn)撥：細(xì)致分析圖發(fā)覺，在力變更時桌面的變更帶動鏡子變更，變更角度，影響P點(diǎn)移動．D[當(dāng)力F增大時，兩鏡面均向里傾斜，使入射角增大，經(jīng)兩次累積，使反射光線的反射角更大，光點(diǎn)P下移；反之，若力F減小，光點(diǎn)P上移．所以，選項(xiàng)D正確．]物體的形變(1)一切物體都可以發(fā)生形變，只不過有的明顯，有的不明顯．(2)顯示微小形變的方法：光學(xué)放大法、力學(xué)放大法等．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)下列各種狀況中，屬于彈性形變的有()A．撐竿跳高運(yùn)動員起跳中，撐竿的形變B．當(dāng)你坐在椅子上時，椅面發(fā)生的微小形變C．細(xì)鋼絲被繞制成彈簧D．鋁桶被砸扁AB[“撐竿的形變”“椅面發(fā)生的微小形變”均能復(fù)原原狀，是彈性形變；“細(xì)鋼絲被繞制成彈簧”不能復(fù)原成“鋼絲”，“鋁桶被砸扁”不能復(fù)原成“桶”，是非彈性形變，故選項(xiàng)A、B正確，C、D錯誤．]彈力河北省吳橋縣一向有“雜技之鄉(xiāng)”的稱譽(yù)，“人人有一手”，他們的精彩表演受到國內(nèi)外摯友的贊揚(yáng)．其中“頂缸”是一種傳統(tǒng)的雜技項(xiàng)目，雜技演員有超群的技藝，能輕松地將缸頂在頭部而不落地．探究：(1)大缸是否發(fā)生了彈性形變？(2)缸對人的頭部彈力方向向哪？提示：(1)是彈性形變．(2)缸發(fā)生了彈性形變，因?yàn)橐獜?fù)原原來的形態(tài)，對人頭部施加了向下的壓力．1．彈力有無的推斷方法(1)方法一：對于形變比較明顯的狀況，可以依據(jù)彈力產(chǎn)生的條件推斷：①物體間相互接觸；②發(fā)生彈性形變．兩個條件必需同時滿意才有彈力產(chǎn)生．(2)方法二：對于形變不明顯的狀況通常有以下兩種方法．①假設(shè)法：假設(shè)與探討對象接觸的物體對探討對象施加了彈力，看探討對象在假設(shè)條件下能否保持原狀態(tài)，若能，說明假設(shè)成立，則彈力存在；否則彈力不存在.如圖所示，光滑水平面上的球靠在豎直面上靜止，豎直面是否對球產(chǎn)生力的作用？假設(shè)豎直面對球產(chǎn)生了力的作用，由力的作用效果可知，球不會靜止，故可判定沒有水平彈力產(chǎn)生．②狀態(tài)法(依據(jù)物體的運(yùn)動狀態(tài)推斷)在如圖所示的狀況中，若AC面和AB面對球都有彈力，這兩個彈力方向分別垂直于AC和AB面，則球所受的力如圖所示，由于AB面對球的彈力F2使球不能靜止在原來位置，與球處于靜止?fàn)顟B(tài)的實(shí)際狀況不相符，因此AB面對球的彈力F2不存在．(3)方法三：對于形變不明顯的狀況，通常采納假設(shè)法推斷．2．幾種常見彈力的方向類型方向圖示接觸方式面與面垂直公共接觸面指向被支持物體點(diǎn)與面過點(diǎn)垂直于面指向被支持物體點(diǎn)與點(diǎn)垂直于公共切面指向受力物體且力的作用線肯定過球(圓)心輕繩沿繩收縮方向輕桿可沿桿可不沿桿輕彈簧沿彈簧形變的反方向3．彈力大小的計(jì)算(1)公式法：利用公式F＝kx計(jì)算，適用于彈簧這樣的彈性體彈力的計(jì)算．(2)平衡法：假如懸掛在豎直細(xì)繩上的物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，求解細(xì)繩的拉力時，可用二力平衡得到拉力的大小等于物體重力的大小，目前主要適用于二力平衡的狀況．【例2】在下列各圖中，A、B兩球間肯定有彈力作用的是()ABCD思路點(diǎn)撥：解答本題可按以下思路進(jìn)行分析：B[在A圖中，若拿去A球，則B球靜止不動，故A、B間沒有擠壓，即A、B間沒有彈力．在B圖中，若拿去A球，則B球?qū)⑾蜃筮\(yùn)動，故A、B間存在相互擠壓，即A、B間存在彈力．在C圖中，若拿去A球，則B球靜止不動，故A、B間沒有擠壓，即A、B間沒有彈力．在D圖中，不能推斷A、B間有沒有彈力．故應(yīng)選B.]彈力的產(chǎn)生條件中接觸是前提，擠壓是關(guān)鍵，相互接觸的物體是否發(fā)生彈性形變是彈力存在與否的標(biāo)記.但是，事實(shí)上除彈簧、橡皮條等物體產(chǎn)生彈力時形變較明顯外，大部分物體產(chǎn)生彈力時形變是微小的，肉眼很難視察出來.因此，彈力有無的推斷主要有以下兩種方法：1條件法；2假設(shè)法.[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．關(guān)于放在水平桌面上靜止的書對桌面的壓力，下列說法中正確的是()A．書對桌面的壓力是由于書發(fā)生形變而產(chǎn)生的B．書對桌面的壓力是由于桌面發(fā)生形變而產(chǎn)生的C．桌面對書的支持力是由于書發(fā)生形變而產(chǎn)生的D．書對桌面的壓力就是書所受的重力A[施力物體發(fā)生形變對受力物體產(chǎn)生彈力，因此書對桌面的壓力是書發(fā)生形變產(chǎn)生的，選項(xiàng)A正確，選項(xiàng)B錯誤；桌面對書的支持力是桌面發(fā)生形變而產(chǎn)生的，選項(xiàng)C錯誤；書對桌面的壓力在數(shù)值上等于書所受的重力，選項(xiàng)D錯誤．]3．分別對下列A、B圖中小球、C圖中桿畫出受力示意圖．(A中小球用細(xì)繩掛在光滑的墻上，B中小球用細(xì)繩拴著擱在角上，C中桿放在光滑的墻和半球型碗中)ABC[答案]各物體受力如圖所示：ABC胡克定律汽車已經(jīng)進(jìn)入到一般人的生活中，帶來便利的同時，平安也至關(guān)重要，如圖所示，是一個汽車車箱的緩沖裝置，發(fā)生碰撞時，可以減小撞擊力，從而更平安．探究：(1)彈簧的彈力如何變更？(2)彈簧的彈力大小與彈簧長度變更有什么關(guān)系？提示：(1)隨著壓縮量的增大，彈力越來越大．(2)科學(xué)探討表明彈簧彈力大小與彈簧長度的變更量成正比．1．定律的成立是有條件的，這就是彈簧要發(fā)生“彈性形變”，即在彈性限度內(nèi)．2．表達(dá)式中x是彈簧的形變量，是彈簧伸長(或縮短)的長度，而不是彈簧的原長，也不是彈簧形變后的長度．3．表達(dá)式中的勁度系數(shù)k，反映了彈簧的“軟”“硬”程度，是由彈簧本身的性質(zhì)(如材料、形態(tài)、長度等)確定的．不同型號、不同規(guī)格的彈簧，其勁度系數(shù)不同．4.依據(jù)F＝kx作出彈力F與形變量x的關(guān)系圖像，如圖所示，這是一條過原點(diǎn)的直線，其斜率k＝eq\f(F,x)＝eq\f(ΔF,Δx).【例3】如圖所示，一根彈簧的自由端B在未懸掛重物時，正對著刻度尺的零刻度，掛上100N重物時正對著刻度20.試求：當(dāng)彈簧分別掛上50N和150N重物時，自由端所對刻度應(yīng)是多少？[解析]設(shè)掛50N和150N重物時，自由端所對刻度分別為x1、x2，由胡克定律得eq\f(x1,20)＝eq\f(50,100)，eq\f(x2,20)＝eq\f(150,100)解得x1＝10，x2＝30.[答案]1030應(yīng)用胡克定律的易錯提示只有彈簧及橡皮筋類的彈力遵循胡克定律，在彈簧處于伸長狀態(tài)或壓縮狀態(tài)時均有彈力作用，所以計(jì)算彈簧的彈力時，應(yīng)留意區(qū)分這兩種狀態(tài)下彈簧的長度、彈簧的原長、彈簧的形變量等物理量．【一題多變】在上題中，若自由端所對刻度是18，則彈簧下端懸掛多重的重物？[解析]設(shè)自由端所對刻度為18時，所掛重物的重力為G.由胡克定律得eq\f(18,20)＝eq\f(G,100N)，解得G＝90N.[答案]90N[跟進(jìn)訓(xùn)練]4.如圖所示，重為20N的物體懸掛在彈簧的下端時，彈簧伸長了4cm.現(xiàn)換用另一個重為40N的物體懸掛在彈簧的下端(形變?nèi)栽趶椥韵薅葍?nèi))，這時彈簧的彈力大小、勁度系數(shù)分別是()A．20N,500N/m B．20N,1000N/mC．40N,500N/m D．40N,1000N/mC[重為20N的物體懸掛在彈簧的下端時，依據(jù)物體平衡條件可知，彈簧的彈力F＝20N，彈簧伸長的長度x＝4cm＝4×10－2m．依據(jù)胡克定律F＝kx得：k＝eq\f(20,0.04)N/m＝500N/m，當(dāng)重為40N的物體懸掛在彈簧的下端時，彈簧的彈力F＝40N，勁度系數(shù)不變，故C正確．]1．物理觀念：形變、彈力的概念，胡克定律的內(nèi)容和表達(dá)式．2．科學(xué)思維：各種彈力方向的分析及大小的計(jì)算推理．3．科學(xué)方法：定義法、假設(shè)法、作圖法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù).1．如圖為P物體對Q物體的壓力的示意圖，其中正確的是()ABCDA[P物體對Q物體的壓力應(yīng)作用在Q物體上，且力的方向應(yīng)垂直于接觸面并指向Q物體，故B、C、D均是錯誤的．]2．(多選)一個物塊放在水平地面上，下列關(guān)于物塊和地面受力狀況的敘述中，正確的是()A．地面受到向下的壓力是因?yàn)榈孛姘l(fā)生了形變B．地面受到向下的壓力是因?yàn)槲飰K發(fā)生了形變C．物塊受到向上的彈力是因?yàn)榈孛姘l(fā)生了變形D．物塊受到向上的彈力是因?yàn)槲飰K發(fā)生了變形BC[地面受到向下的壓力，這個壓力的施力物體是物塊，即物塊的形變產(chǎn)生了對地面的壓力，故B選項(xiàng)是正確的．物塊受到向上的彈力，這個彈力的施力物體是地面，即地面的形變產(chǎn)生了對物塊的彈力，故C選項(xiàng)也是正確的．]3．(多選)兩個光滑的木板固定為如圖所示的結(jié)構(gòu)，其中下面的木板水平，小球A放于其中，且與兩木板都接觸，則()A．兩個木板對A都有彈力作用B