新教材物理人教版教案第三章相互作用力第一节重力与弹力教案

1．重力与弹力1．了解重力产生的原因，掌握重力的方向及重力大小的公式，理解重心的意义及其决定因素。2．会用力的图示和力的示意图表示力。3．认识弹力，知道弹力产生的条件，会初步分析弹力的有无和方向。4．通过做“探究弹簧弹力与形变量的关系”的实验，认识胡克定律，并会应用其进行有关计算。一、重力1．成因由于eq\o(□,\s\up4(01))地球的吸引而使物体受到的力。2．大小G＝eq\o(□,\s\up4(02))mg，其中g是重力加速度，即自由落体加速度，g的单位既可以是N/kg，又可以是m/s2，而且1N/kg＝eq\o(□,\s\up4(03))1_m/s2。3．方向总是eq\o(□,\s\up4(04))竖直向下。4．重心(1)一个物体的各部分都受到重力的作用，从效果上看，可以认为各部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫作物体的重心。物体重心的位置与物体的eq\o(□,\s\up4(05))形状及物体内eq\o(□,\s\up4(06))质量的分布有关。(2)重心的确定方法：形状规则、质量分布均匀的物体，重心在其eq\o(□,\s\up4(07))几何中心上；对形状不规则的薄板可用eq\o(□,\s\up4(08))悬挂法确定其重心。5．力的图示和力的示意图(1)力的图示：力可以用eq\o(□,\s\up4(09))有向线段表示，有向线段的长短表示eq\o(□,\s\up4(10))力的大小，箭头表示eq\o(□,\s\up4(11))力的方向，箭头(或箭尾)表示力的eq\o(□,\s\up4(12))作用点，这种表示力的方法叫作力的图示。(2)力的示意图：不需要准确标度力的大小，只需画出力的eq\o(□,\s\up4(13))作用点和eq\o(□,\s\up4(14))方向。二、弹力1．形变：物体在力的作用下eq\o(□,\s\up4(01))形状或eq\o(□,\s\up4(02))体积的改变。2．弹力：发生eq\o(□,\s\up4(03))形变的物体，要eq\o(□,\s\up4(04))恢复原状，对与它eq\o(□,\s\up4(05))接触的物体产生的力。3．几种弹力(1)常见弹力：平时所说的eq\o(□,\s\up4(06))压力、eq\o(□,\s\up4(07))支持力和eq\o(□,\s\up4(08))拉力都是弹力。(2)弹力的方向①压力和支持力的方向eq\o(□,\s\up4(09))垂直于物体的接触面且指向于被压物或被支持物。②绳子的拉力沿着绳子而指向绳子eq\o(□,\s\up4(10))收缩的方向。三、胡克定律1．弹性形变：发生形变的物体在撤去作用力后能够eq\o(□,\s\up4(01))恢复原状的形变。2．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eq\o(□,\s\up4(02))完全恢复原来的形状，这个限度叫作弹性限度。3．胡克定律(1)内容：在弹性限度内，弹簧发生弹性形变时，弹力F的大小跟eq\o(□,\s\up4(03))弹簧伸长(或缩短)的长度x成正比。(2)公式：eq\o(□,\s\up4(04))F＝kx，其中k叫作弹簧的eq\o(□,\s\up4(05))劲度系数，单位是eq\o(□,\s\up4(06))牛顿每米，符号是eq\o(□,\s\up4(07))N/m。判一判(1)地球上所有物体的重力的施力物体都是地球。()(2)重心是物体重力的作用点，重心一定在物体上。()(3)两个接触的物体间一定存在弹力。()(4)弹簧的长度越长，弹力越大。()提示：(1)√地球上所有物体的重力都是由于地球的吸引产生的，施力物体都是地球。(2)×重心可能在物体上，也可能在物体之外。(3)×由弹力的产生条件可知，物体接触且发生形变才能产生弹力，若两物体接触，而没发生形变，则物体间没有弹力。(4)×根据胡克定律，在弹性限度内，弹簧弹力大小与弹簧的劲度系数和形变量均成正比，弹簧的长度越长，形变量和劲度系数不一定越大，弹力不一定越大。想一想(1)如图所示，身体素质和技术相当高的跳高运动员，为什么采用“背越式”的要比采用“跨越式”的成绩好呢？提示：跳高运动员在越过相同高度的横杆时，采用“背越式”的运动员的重心比采用“跨越式”的运动员的重心升高的高度小，因此运动员越过相同高度的横杆，“背越式”跳法要比“跨越式”容易些，所以采用“背越式”的运动员要比采用“跨越式”的运动员成绩好。(2)一个比较硬的桌面，若放上一本书时，桌面有形变吗？提示：有形变，只不过形变很小。任何物体只要受到弹力的作用，都要发生形变，只是形变的程度不同。课堂任务重力仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。活动1：根据初中物理，物体受到的重力G与物体的质量m有什么关系？比例系数与第二章学过的自由落体加速度g的大小有什么关系？提示：G＝mg，其中g＝9.8N/kg；而自由落体加速度g＝9.8m/s2，可见二者数值相等。活动2：如图甲所示，质量分布均匀的棒的每一小部分都有质量，所以每一部分都受到竖直向下的重力，如右图所示。但在分析棒的受力时我们常说棒受到重力和绳子的拉力两个力，这就要求将棒的各部分受到的重力简化在一个等效作用点上，这个等效作用点应在什么位置？提示：棒在重力和绳子的拉力作用下静止，根据二力平衡，棒的各部分受到的重力的等效作用点应在棒的中心。活动3：上述等效作用点叫作重心。一般物体的质量分布不一定均匀，形状也不一定规则，如何确定图乙中薄板的重心？提示：如图1所示，薄板受重力和绳子的拉力而静止，根据二力平衡的条件，重心必和绳子的拉力在同一条直线AB上；将薄板换一个方向悬挂，如图2所示，这时，重心必在直线DE上。因此，AB和DE的交点C，就是薄板的重心。活动4：讨论、交流、展示，得出结论。1．重力大小(1)同一地点，不同物体重力的大小与其质量成正比。即G＝mg，其中g是自由落体加速度。g的单位既可以是N/kg，又可以是m/s2，而且1N/kg＝1m/s2(在第四章我们将会证明这两个单位是相同的)。(2)不同地点，同一物体在地面上所在位置的纬度越高，g值越大，所受重力越大；在地球上空的位置海拔越高，g值越小，所受重力越小。(3)重力的大小与物体的运动状态无关，与物体是否受其他力无关。2．对重力方向的理解重力的方向总是竖直向下，竖直向下不是垂直于支撑面向下，也不是指向地心。3．对重心的理解(1)重心是重力的等效作用点，并非物体的全部重力都作用于重心。(2)重心的位置可以在物体上，也可以在物体外，如一个圆形平板的重心在板上，而一个铜环的重心就不在环上。(3)重心在物体上的相对位置与物体的位置、放置状态及运动状态无关，但一个物体的质量分布或形状发生变化时，其重心在物体上的位置也发生变化。(4)质量分布均匀、形状规则的物体的重心在其几何中心上；对形状不规则的薄物体，可用支撑法或悬挂法来确定其重心。例1关于物体的重心，下列说法中正确的是()A．物体升高或降低时，重心在物体上的位置也相应升高和降低B．物体改变形状时，重心位置一定发生变化C．物体的重心可能位于物体之外D．重心是物体上最重的一点(1)什么是重心？提示：重心是重力的等效作用点。(2)影响重心位置的因素有哪些？提示：物体的质量分布情况及形状。[规范解答]对于一个确定物体，它的重心位置相对于物体是固定不变的，不随物体的上升、下降而发生变化，A错误；物体的重心位置与物体的形状和质量分布均有关，形状改变，重心位置不一定改变，B错误；物体的重心不一定在物体上，如环形绳子的重心就不在绳子上，C正确；重心是物体各部分所受重力的等效作用点，重心并非集中了物体的全部重力，也不是物体上最重的点，D错误。[完美答案]C理解重心时的注意事项(1)重心不是重力的真实作用点，重力的作用点遍布整个物体，重心是重力的等效作用点，可以把物体所受的重力看成都集中在重心这一点。(2)重心不是指物体上最重的一点。(3)物体的重心可以不在物体上。eq\a\vs4\al([变式训练1])图甲、乙、丙、丁是某同学做四种体操动作时的照片，其中重心最高的是()A．甲B．乙C．丙D．丁答案D解析由图可知，丁图该同学呈站立姿态，重心最高，D正确。课堂任务弹力仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。活动1：观察甲、乙两图，弹簧对小车的拉力和跳板对人的支持力有什么共同特点？提示：如图甲所示，被拉长的弹簧要恢复原状，对相连的小车产生了拉力F；如图乙所示，被人压弯的跳板要恢复原状，对人产生了支持力。它们的共同特点是，发生形变的物体，要恢复原状，对与它接触的物体产生了力的作用。活动2：如图丙所示，一束光依次被平面镜M、N反射，在墙上形成光斑。将一个杯子放到桌面上，光斑移动，这说明了什么？提示：杯子放在桌面上，桌面对杯子有支持力，光斑移动，说明桌子发生了微小形变，即桌子对杯子的支持力是因为要恢复形变而产生的。活动3：如图丁所示，绳子上的弹力有什么特点？提示：绳子相当于很紧的橡皮筋，拉橡皮筋时，橡皮筋发生形变，由于要收缩恢复原状，从而产生弹力；同理，拉绳子时，绳子发生微小的形变，因为要恢复原状而产生弹力。活动4：如图甲所示，拉伸弹簧，弹力沿什么方向？如图丁所示，绳子中的弹力沿什么方向？提示：拉伸弹簧，弹簧要收缩，弹力沿弹簧指向弹簧收缩的方向。拉绳子时，绳子发生微小形变要收缩，弹力沿着绳子指向绳子收缩的方向。活动5：如图戊所示，容器中的3个皮球互相挤压产生了弹力，根据弹力产生的原因，如何确定下面的皮球对上面的皮球的弹力方向？提示：上面的皮球因为重力而挤压下面的两个皮球，使下面的两个皮球发生形变，发生形变的皮球由于要恢复原状，就垂直于接触面挤压上面的皮球，所以下面的两个皮球对上面的皮球产生的弹力方向垂直于接触面指向上面的皮球。活动6：讨论、交流、展示，得出结论。1．弹力的成因相互接触的物体间不一定存在弹力，只有当两个物体相互挤压或拉伸产生形变时，由于物体要恢复原状，才在接触位置对与它接触的物体产生弹力。所以弹力产生的直接原因是施力物体发生形变且要恢复原状。2．弹力产生的过程3．弹力的产生条件(1)物体间相互接触；(2)接触面相互作用发生形变，且要恢复原状。4．弹力有无的判断方法(1)直接法对于形变比较明显的情况，可以根据弹力产生的条件判断：①物体间相互接触；②发生形变的物体要恢复原状。两个条件必须同时满足才有弹力产生。(2)假设法要判断物体在某一接触位置是否受弹力作用，可假设将在此处与物体接触的另一物体去掉，看物体是否在该位置保持原来的状态，若能保持原来的状态，则说明物体间无弹力作用，否则有弹力作用。(3)状态法看除了要研究的弹力外，物体所受的其他作用力与物体的运动状态是否满足相应的规律(目前主要应用二力平衡的规律)，若满足，则无弹力存在；若不满足，则有弹力存在。(4)替换法可以将硬的、形变不明显的施力物体(假设施力)用软的、易产生明显形变的物体来替换。如将墙壁、斜面用海绵来替换，将硬杆用轻弹簧来替换。判断弹力有无时应灵活选用判断方法。当直接法不易判断时，可考虑用其他方法判断。5．弹力的方向发生形变的物体，由于要恢复原状，而对和它接触的物体产生弹力，所以弹力的方向由施力物体形变的方向决定，弹力的方向总与施力物体形变的方向相反。例如物体间的压力、支持力与接触面垂直，绳子的拉力沿着绳子而指向绳子收缩的方向。例2判断图甲、乙、丙中小球是否受到弹力作用，若受到弹力，请指出其施力物体。(1)弹力产生的条件是什么？题图中的小球满足弹力产生的条件吗？提示：弹力产生的条件是：①物体间相互接触；②发生形变的物体要恢复原状。题图中小球都与物体有接触，但是否发生形变肉眼看不出，只能通过别的方式判断。(2)除了用弹力产生的条件来判断是否有弹力，还有别的方法吗？提示：别的方法还有很多，比如假设法：假设把接触面去掉会怎么样？替换法：将硬的形变微小的物体换成海绵等软的物体来观察；还可以根据物体的运动状态来看；根据力产生的效果来看等。[规范解答]用“假设法”来判断小球是否受斜面的弹力作用，若将三个图中的斜面去掉，则甲图中小球无法在原位置静止，乙和丙两图中小球仍静止；同理如果没有细绳，甲、乙图中小球不会静止。所以甲图中小球受到斜面和细绳的弹力，施力物体分别是斜面和细绳；乙图中小球只受到细绳的弹力，施力物体是细绳，不受斜面的弹力；丙图中小球只受水平面的弹力，施力物体是水平面，不受斜面的弹力。[完美答案]见规范解答1误认为只要有接触一定存在弹力作用，而忽略了弹力产生的另一个条件——发生形变且要恢复原状。2误认为有形变一定有弹力，忽略了撤去外力后形变不能恢复原状的情况。2.弹力方向的判断：弹力与施力物体形变的方向相反1在面与面接触时，弹力垂直于接触面，且指向受力物体。2在点与面接触时，弹力垂直于接触面或接触面的切面，且指向受力物体。3在点与点接触时，弹力垂直于过接触点的公切面，且指向受力物体。eq\a\vs4\al([变式训练2])图中物体a、b均处于静止状态，a、b间一定有弹力的是()答案B解析在图A、C、D中，若将物体b拿走，物体a仍能保持原来的静止状态，表明物体a、b间无弹力作用，而在图B中，若将物体b拿走，物体a会向右运动，故物体a、b间存在弹力。故选B。课堂任务胡克定律仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。弹簧在发生弹性形变时产生的弹力与弹簧的形变量有什么关系呢？活动1：如图所示，如何定量衡量弹簧产生的弹力？提示：弹簧在下端悬挂钩码时会伸长，根据二力平衡，弹簧产生的弹力等于所挂钩码的重力。活动2：要探究弹簧在发生弹性形变时产生的弹力与弹簧的形变量的关系，请根据如图装置设计一个实验思路。提示：用刻度尺测出弹簧自由下垂时的长度l0和在不同钩码拉力下的长度l，计算出弹簧的伸长量x，设计实验记录表格，并记录对应的弹力F，如下表所示，最后对数据进行分析。活动3：除了直接分析记录的数据，还能用什么方法分析数据？提示：如图所示，建立直角坐标系，以纵坐标表示弹力大小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，用平滑的曲线连接起来，根据实验所得的图线，就可探知弹簧弹力大小与伸长量的关系。活动4：讨论、交流、展示，得出结论。1．胡克定律实验结果表明，在弹性限度内，弹簧发生弹性形变时，弹力F的大小跟弹簧伸长(或缩短)的长度x成正比，即F＝kx。这个规律叫作胡克定律。式中的k叫作弹簧的劲度系数，单位是牛顿每米，符号是N/m。2．对胡克定律的理解(1)成立条件：在弹性限度内。(2)对F＝kx的理解①x是弹簧的形变量，而不是弹簧形变后的长度。②k为弹簧的劲度系数，反映弹簧本身的属性，由弹簧的原长、粗细、材料等因素决定，与弹力F的大小和形变量x无关。③F­x图像是一条过原点的倾斜直线(如图所示)，直线的斜率表示弹簧的劲度系数k。④弹簧弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx也成正比，即ΔF＝kΔx。例3如图所示，两根相同的轻弹簧S1、S2，劲度系数都为k＝4×102N/m，悬挂重物A、B的质量分别为mA＝2kg、mB＝4kg，取g＝10m/s2，则静止时S1、S2的伸长量分别为()A．5cm、10cmB．10cm、5cmC．15cm、10cmD．10cm、15cm(1)胡克定律的表达式是什么？提示：F＝kx。(2)S1弹力的大小与A的重力大小相等吗？提示：不相等，与A和B的重力大小之和相