2024-2025学年新教材高中物理第3章相互作用第2节科学探究：弹力学案鲁科版必修第一册

PAGE10-第2节科学探究：弹力学习目标：1.[物理观念](1)知道形变、弹性形变、弹性限度及弹力的概念．(2)知道胡克定律的内容及表达式．2.[科学思维]理解弹力及胡克定律，并能分析和解决实际问题．3.[科学探究]学会依据设定的方案进行试验探究，会分析数据、误差，会通过与他人沟通解决试验中的问题．4.[科学看法与责任]通过对弹力的探究，相识试验对物理探讨的重要性，提高学习爱好，加强与他人合作．一、形变与弹力1．形变：物体发生的伸长、缩短、弯曲等形态的变更称为形变．2．弹性体及弹性形变(1)弹性体是撤去外力后能复原原状的物体．(2)弹性形变指弹性体发生的形变．3．范性形变：物体发生形变后不能复原原状，这种形变叫范性形变．4．弹性限度：弹性体的形变不能无限增大，若超过肯定的限度，撤去外力时物体就不能复原原状，这个限度称为弹性限度．5．弹力的定义：相互接触的物体发生弹性形变时，由于物体要复原原状，物体会对与它接触的另一物体产生力的作用，这种力叫弹力．6．弹力的方向：弹力的方向总是与物体形变的方向相反，以使物体复原原状．说明：弹力的方向与施力物体形变方向相反，指向受力物体．二、胡克定律1．内容：在弹性限度内，弹簧弹力的大小与弹簧伸长(或压缩)的长度成正比．2．公式：F＝kx.3．适用条件：在弹性体的弹性限度内．4．劲度系数：是一个有单位的物理量，单位为N/m.弹簧的劲度系数为1N/m的物理意义：弹簧伸长或缩短1m时产生的弹力大小为1N.留意：F＝kx中的x是弹簧的形变量，是弹簧伸长(或缩短)的长度．1．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)使物体发生形变的外力撤去后，物体肯定能够复原原来状态． (×)(2)只要两个物体相互接触，两个物体之间肯定能产生弹力． (×)(3)两物体之间有弹力作用时，两物体肯定接触． (√)(4)由F＝kx可知k＝eq\f(F,x)，故劲度系数k与外力F成正比，与形变量x成反比． (×)2．关于弹性形变，下列说法正确的是()A．物体形态的变更称为弹性形变B．一根铁丝被用力折弯后的形变就是弹性形变C．物体在外力停止作用后，能够复原原状的形变称为弹性形变D．物体在外力作用下的形变称为弹性形变C[外力停止作用后，能够复原原状的形变称为弹性形变，C正确．]3．一辆汽车停在水平地面上，下列说法中正确的是()A．地面受到了向下的弹力，是因为地面发生了弹性形变；汽车没有发生形变，所以汽车不受弹力B．地面受到了向下的弹力，是因为地面发生了弹性形变；汽车受到了向上的弹力，是因为汽车也发生了形变C．汽车受到向上的弹力，是因为地面发生了形变；地面受到向下的弹力，是因为汽车发生了形变D．以上说法都不正确C[汽车停在水平地面上，因为地面发生了向下的形变，所以地面为复原原状对与之接触的汽车产生一个向上的弹力作用；因为汽车的车轮发生了向上的形变，所以车轮为复原原状对与之接触的地面产生向下的弹力作用，故只有C项正确．]形变如图所示是英国物理学家卡文迪许为了测量万有引力常量而设计的扭秤原理图．已知相邻两个小球之间存在很小的万有引力，使T形架产生转动，T形架转动的结果是使硬质的石英丝发生形变，抗拒T形架的转动，最终达到静止平衡．请回答下列问题．卡文迪许扭秤原理图探究：(1)石英丝发生了什么种类的形变？(2)试说明该装置采纳的放大原理．提示：(1)石英丝发生的是扭转形变．(2)该装置进行了两次放大，一是尽可能地增大T型架连接两球的水平直杆的长度，使两球间万有引力产生较大的力矩，使杆偏转；二是增大弧度尺与系统的距离，使小镜子的反射光在标尺上产生较明显的长度变更．1．形变的两种状况(1)形态的变更：指受力时物体的外观发生变更，如橡皮条拉伸时由短变长；撑竿跳高时，运动员手中的撑竿由直变曲等．(2)体积的变更：指受力时物体的体积发生变更，如用力压排球，排球的体积变小；用力压海绵，海绵的体积变小．2．显示微小形变的方法(1)光学放大法：如图所示，在一张大桌子上放两个平面镜M和N，让一束光依次被两面镜子反射，最终射到墙上，形成一个光点P.用力压桌面时，桌面发生了形变，虽然形变量很小，但镜子要向桌面中间倾斜，由于两个镜子间距较大，光点在墙上有明显移动，把桌面的形变显示出来．(2)力学放大法：如图所示，把一个圆玻璃瓶瓶口用中间插有细管的瓶塞堵上，用手轻压玻璃瓶，玻璃瓶发生形变，容积减小，水受挤压上升，松开手后，形变复原，水面落回原处．【例1】如图所示，在一张大桌子上放两个平面镜M和N，让一束光依次被两面镜子反射，最终射到墙上，形成一个光点P.用力压桌面，视察墙上光点位置的变更．下列说法中正确的是()A．F增大，P不动 B．F增大，P上移C．F减小，P下移 D．F减小，P上移思路点拨：细致分析图发觉，在力变更时桌面的变更带动镜子变更，变更角度，影响P点移动．D[当力F增大时，两镜面均向里倾斜，使入射角增大，经两次累积，使反射光线的反射角更大，光点P下移；反之，若力F减小，光点P上移．所以，选项D正确．]物体的形变(1)一切物体都可以发生形变，只不过有的明显，有的不明显．(2)显示微小形变的方法：光学放大法、力学放大法等．[跟进训练]1．(多选)下列各种状况中，属于弹性形变的有()A．撑竿跳高运动员起跳中，撑竿的形变B．当你坐在椅子上时，椅面发生的微小形变C．细钢丝被绕制成弹簧D．铝桶被砸扁AB[“撑竿的形变”“椅面发生的微小形变”均能复原原状，是弹性形变；“细钢丝被绕制成弹簧”不能复原成“钢丝”，“铝桶被砸扁”不能复原成“桶”，是非弹性形变，故选项A、B正确，C、D错误．]弹力河北省吴桥县一向有“杂技之乡”的称誉，“人人有一手”，他们的精彩表演受到国内外挚友的赞扬．其中“顶缸”是一种传统的杂技项目，杂技演员有超群的技艺，能轻松地将缸顶在头部而不落地．探究：(1)大缸是否发生了弹性形变？(2)缸对人的头部弹力方向向哪？提示：(1)是弹性形变．(2)缸发生了弹性形变，因为要复原原来的形态，对人头部施加了向下的压力．1．弹力有无的推断方法(1)方法一：对于形变比较明显的状况，可以依据弹力产生的条件推断：①物体间相互接触；②发生弹性形变．两个条件必需同时满意才有弹力产生．(2)方法二：对于形变不明显的状况通常有以下两种方法．①假设法：假设与探讨对象接触的物体对探讨对象施加了弹力，看探讨对象在假设条件下能否保持原状态，若能，说明假设成立，则弹力存在；否则弹力不存在.如图所示，光滑水平面上的球靠在竖直面上静止，竖直面是否对球产生力的作用？假设竖直面对球产生了力的作用，由力的作用效果可知，球不会静止，故可判定没有水平弹力产生．②状态法(依据物体的运动状态推断)在如图所示的状况中，若AC面和AB面对球都有弹力，这两个弹力方向分别垂直于AC和AB面，则球所受的力如图所示，由于AB面对球的弹力F2使球不能静止在原来位置，与球处于静止状态的实际状况不相符，因此AB面对球的弹力F2不存在．(3)方法三：对于形变不明显的状况，通常采纳假设法推断．2．几种常见弹力的方向类型方向图示接触方式面与面垂直公共接触面指向被支持物体点与面过点垂直于面指向被支持物体点与点垂直于公共切面指向受力物体且力的作用线肯定过球(圆)心轻绳沿绳收缩方向轻杆可沿杆可不沿杆轻弹簧沿弹簧形变的反方向3．弹力大小的计算(1)公式法：利用公式F＝kx计算，适用于弹簧这样的弹性体弹力的计算．(2)平衡法：假如悬挂在竖直细绳上的物体处于静止状态，求解细绳的拉力时，可用二力平衡得到拉力的大小等于物体重力的大小，目前主要适用于二力平衡的状况．【例2】在下列各图中，A、B两球间肯定有弹力作用的是()ABCD思路点拨：解答本题可按以下思路进行分析：B[在A图中，若拿去A球，则B球静止不动，故A、B间没有挤压，即A、B间没有弹力．在B图中，若拿去A球，则B球将向左运动，故A、B间存在相互挤压，即A、B间存在弹力．在C图中，若拿去A球，则B球静止不动，故A、B间没有挤压，即A、B间没有弹力．在D图中，不能推断A、B间有没有弹力．故应选B.]弹力的产生条件中接触是前提，挤压是关键，相互接触的物体是否发生弹性形变是弹力存在与否的标记.但是，事实上除弹簧、橡皮条等物体产生弹力时形变较明显外，大部分物体产生弹力时形变是微小的，肉眼很难视察出来.因此，弹力有无的推断主要有以下两种方法：1条件法；2假设法.[跟进训练]2．关于放在水平桌面上静止的书对桌面的压力，下列说法中正确的是()A．书对桌面的压力是由于书发生形变而产生的B．书对桌面的压力是由于桌面发生形变而产生的C．桌面对书的支持力是由于书发生形变而产生的D．书对桌面的压力就是书所受的重力A[施力物体发生形变对受力物体产生弹力，因此书对桌面的压力是书发生形变产生的，选项A正确，选项B错误；桌面对书的支持力是桌面发生形变而产生的，选项C错误；书对桌面的压力在数值上等于书所受的重力，选项D错误．]3．分别对下列A、B图中小球、C图中杆画出受力示意图．(A中小球用细绳挂在光滑的墙上，B中小球用细绳拴着搁在角上，C中杆放在光滑的墙和半球型碗中)ABC[答案]各物体受力如图所示：ABC胡克定律汽车已经进入到一般人的生活中，带来便利的同时，平安也至关重要，如图所示，是一个汽车车箱的缓冲装置，发生碰撞时，可以减小撞击力，从而更平安．探究：(1)弹簧的弹力如何变更？(2)弹簧的弹力大小与弹簧长度变更有什么关系？提示：(1)随着压缩量的增大，弹力越来越大．(2)科学探讨表明弹簧弹力大小与弹簧长度的变更量成正比．1．定律的成立是有条件的，这就是弹簧要发生“弹性形变”，即在弹性限度内．2．表达式中x是弹簧的形变量，是弹簧伸长(或缩短)的长度，而不是弹簧的原长，也不是弹簧形变后的长度．3．表达式中的劲度系数k，反映了弹簧的“软”“硬”程度，是由弹簧本身的性质(如材料、形态、长度等)确定的．不同型号、不同规格的弹簧，其劲度系数不同．4.依据F＝kx作出弹力F与形变量x的关系图像，如图所示，这是一条过原点的直线，其斜率k＝eq\f(F,x)＝eq\f(ΔF,Δx).【例3】如图所示，一根弹簧的自由端B在未悬挂重物时，正对着刻度尺的零刻度，挂上100N重物时正对着刻度20.试求：当弹簧分别挂上50N和150N重物时，自由端所对刻度应是多少？[解析]设挂50N和150N重物时，自由端所对刻度分别为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应用胡克定律的易错提示只有弹簧及橡皮筋类的弹力遵循胡克定律，在弹簧处于伸长状态或压缩状态时均有弹力作用，所以计算弹簧的弹力时，应留意区分这两种状态下弹簧的长度、弹簧的原长、弹簧的形变量等物理量．【一题多变】在上题中，若自由端所对刻度是18，则弹簧下端悬挂多重的重物？[解析]设自由端所对刻度为18时，所挂重物的重力为G.由胡克定律得eq\f(18,20)＝eq\f(G,100N)，解得G＝90N.[答案]90N[跟进训练]4.如图所示，重为20N的物体悬挂在弹簧的下端时，弹簧伸长了4cm.现换用另一个重为40N的物体悬挂在弹簧的下端(形变仍在弹性限度内)，这时弹簧的弹力大小、劲度系数分别是()A．20N,500N/m B．20N,1000N/mC．40N,500N/m D．40N,1000N/mC[重为20N的物体悬挂在弹簧的下端时，依据物体平衡条件可知，弹簧的弹力F＝20N，弹簧伸长的长度x＝4cm＝4×10－2m．依据胡克定律F＝kx得：k＝eq\f(20,0.04)N/m＝500N/m，当重为40N的物体悬挂在弹簧的下端时，弹簧的弹力F＝40N，劲度系数不变，故C正确．]1．物理观念：形变、弹力的概念，胡克定律的内容和表达式．2．科学思维：各种弹力方向的分析及大小的计算推理．3．科学方法：定义法、假设法、作图法处理试验数据.1．如图为P物体对Q物体的压力的示意图，其中正确的是()ABCDA[P物体对Q物体的压力应作用在Q物体上，且力的方向应垂直于接触面并指向Q物体，故B、C、D均是错误的．]2．(多选)一个物块放在水平地面上，下列关于物块和地面受力状况的叙述中，正确的是()A．地面受到向下的压力是因为地面发生了形变B．地面受到向下的压力是因为物块发生了形变C．物块受到向上的弹力是因为地面发生了变形D．物块受到向上的弹力是因为物块发生了变形BC[地面受到向下的压力，这个压力的施力物体是物块，即物块的形变产生了对地面的压力，故B选项是正确的．物块受到向上的弹力，这个弹力的施力物体是地面，即地面的形变产生了对物块的弹力，故C选项也是正确的．]3．(多选)两个光滑的木板固定为如图所示的结构，其中下面的木板水平，小球A放于其中，且与两木板都接触，则()A．两个木板对A都有弹力作用B