2019_2020学年高中物理第三章研究物体间的相互作用第一节探究形变与弹力的关系学案粤教版必修1.docx

第一节探究形变与弹力的关系学习目标1.知道常见形变和弹性形变.2.知道弹力产生的原因和条件.3.知道压力、支持力和拉力都是弹力，会分析弹力的方向，能正确画出力的图示及示意图.4.掌握胡克定律，会用Fkx分析、解决有关问题一、认识形变1形变：物体形状发生变化2分类：压缩形变、拉伸形变、弯曲形变和扭曲形变等3任何物体都能发生形变有时形变比较明显，有时很微小，需要借助仪器才能观察到二、弹性与弹性限度1弹性：弹簧具有恢复原状的性质2弹性形变：任何物体受到外力作用后都会产生形变，撤去外力后，物体能完全恢复原状的形变，称为弹性形变3弹性限度：如果外力过大，撤去外力后，物体形状不能完全恢复，我们称这种现象为超过了物体的弹性限度三、探究弹力1弹力：产生形变的物体由于要恢复原状，会对与它接触的物体产生力的作用，这种力称为弹力2弹力是由施力物体(填“受力物体”或“施力物体”)发生形变而产生的3几种弹力的方向(1)压力或支持力的方向：压力的方向垂直于支持面指向被压的物体；支持力的方向垂直于支持面指向被支持的物体(2)绳子对物体的拉力方向：沿绳子指向绳子收缩的方向4胡克定律(1)内容：在弹性限度内，弹簧弹力F的大小与弹簧的伸长(或缩短)量x成正比(2)公式：Fkx.k为弹簧的劲度系数，单位为N/m，不同的弹簧，其劲度系数不同四、力的图示1力的示意图：用一带箭头的线段表示力2力的图示：用线段的长度表示力的大小，线段的箭头指向力的方向，箭尾(或箭头)表示力的作用点1判断下列说法的正误(1)只要两物体接触就一定产生弹力()(2)发生形变后的物体撤去外力后都能够恢复原状()(3)绳对物体的拉力方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向()(4)静止在水平地面上的物体受到向上的弹力是因为地面发生了形变()(5)由Fkx可知，在弹性限度内弹力F的大小与弹簧的长度成正比()2弹簧的原长为10cm，它下面挂一个重为4N的物体时，弹簧长为12cm，则该弹簧的劲度系数为_N/m.若在它下面挂一个重为6N的物体，则弹簧的伸长量为_cm.(弹簧始终处于弹性限度内)答案20033小明用20N的水平力推桌子(如图1所示)，作出此力的图示和力的示意图图1答案一、形变和弹力1如图2所示，取一个玻璃瓶，里面盛满水，用穿有透明细管的橡皮塞封口，使水面位于细管中，用手捏玻璃瓶，会看到什么现象？说明什么？图2答案用手捏玻璃瓶，管中水面上升(或下降)说明受压时玻璃瓶发生形变，体积变小(或变大)了2用手压橡皮泥，橡皮泥发生形变；脚踩在松软的泥土上，留下了深深的脚印(形变)，这两种形变与玻璃瓶的形变有什么不同？答案橡皮泥、泥土受力后发生的形变，在撤去外力后不能恢复原状(非弹性形变)，玻璃瓶的形变在撤去外力后能恢复原状(弹性形变)3如图3所示，被拉长的弹簧对手有一个拉力的作用，这个拉力是如何产生的？图3答案弹簧受到拉力后发生形变(伸长)，发生形变的弹簧要恢复原状，对手就产生了拉力1弹性形变和非弹性形变弹性形变：撤去外力后能恢复原状的形变非弹性形变：撤去外力后不能恢复原状的形变发生弹性形变的物体，外力过大，超过一定的限度(弹性限度)，会变成非弹性形变2弹力的产生必须同时具备两个条件(1)两物体直接接触；(2)两物体接触处发生弹性形变3显示微小形变的方法显示微小形变可以用光学放大法(图3)和力学放大法(图4)，它们都是把微小的形变放大，便于观察图3图4例1关于弹力的产生，下列说法正确的是()A木块放在桌面上受到一个向上的弹力，这是由于木块发生微小形变而产生的B木块放在桌面上，木块没有形变，所以对桌面没有施加弹力C拿一根细竹竿拨动水中的木头，木头受到细竹竿的弹力，这是由于木头发生形变而产生的D挂在电线下面的电灯受到向上的拉力，是因为电线发生微小的形变而产生的答案D解析木块和桌面相互作用，都会发生微小的形变桌面发生微小形变对木块有向上的弹力，即支持力；木块发生微小形变对桌面有向下的弹力，即压力，A、B错；木头受到的弹力是由细竹竿发生形变而产生的，C错；电灯受到的拉力是电线发生微小形变而产生的，D对二、力的图示如图5所示是足球撞击球网的瞬间图5若足球对球网的作用点为图中的A点，且作用力F方向水平向右，大小为50N，请画出该力的图示和力的示意图答案如图所示力的图示力的示意图力的图示和力的示意图的区别力的图示可以表示力的三个要素，即大小、方向和作用点力的示意图只能表示力的两个要素，即方向和作用点例2在图6甲中木块P点，用与水平方向成30角斜向右上方的150N的力拉木块；在图乙中木块的Q点，用与竖直方向成60角斜向左上方的20N的力把木块抵在墙壁上，试作出甲、乙两图中所给力的图示图6答案如图所示力的图示与力的示意图的画法作图步骤力的图示力的示意图选标度选定标度(用某一长度的线段表示一定大小的力)画线段从作用点开始沿力的方向画一线段，根据选定的标度和力的大小按比例确定线段长度从作用点开始沿力的方向画一适当长度线段标方向在线段的末端标出箭头，表示方向在线段的末端标出箭头，表示方向三、弹力有无的判断弹力方向的确定(1)试作出图7中半圆柱体上A、B、C三点所受的弹力的示意图图7图8(2)如图8所示，小球放于固定的两个平滑的木板之间，且与两木板接触试画出小球受到的作用力(重力和弹力)的示意图；两相互接触的物体间一定有弹力吗？答案(1)如图所示(2)如图所示两相互接触的物体间不一定有弹力，例如A处无弹力1弹力的方向与施力物体形变方向相反，作用在迫使物体发生形变的那个物体上，几种常见情况如下：(1)压力、支持力的方向：总是垂直于接触面，若接触面是曲面，则垂直于接触面的切面；若接触面是球面，弹力方向的延长线或反向延长线过球心，如图9所示图9(2)绳的拉力方向：总是沿着绳并指向绳收缩的方向2弹力有无的判断(1)对于明显形变的情况，可以根据弹力产生条件直接进行判断(2)对于不明显形变的情况，可利用假设法进行判断，具体有下列两种方法：假设无弹力：假设撤去接触面，看物体还能否在原位置保持原来的状态，若能保持原来的状态则说明物体间可能无弹力作用；否则，有弹力作用假设有弹力：假设接触物体间有弹力，画出假设状态下的受力分析图，判断受力情况与所处状态是否矛盾，若矛盾，则不存在弹力；若不矛盾，则存在弹力如图10中，若A处有弹力，则无法使球处于静止状态，故A处无弹力(接触面均光滑)图10例3在如图11所示的各图中画出物体P受到的各接触点或接触面对它的弹力的示意图，各图中物体P均处于静止状态(图丙中斜面光滑)图11答案见解析图解析题图甲中P与斜面的接触面为平面，P受到的支持力垂直于斜面向上；题图乙中A、B两点都是球面与平面的接触点，弹力都垂直于平面，且都过球心，所以A点弹力方向水平向右，B点弹力方向垂直于斜面指向左上方，且都过球心；题图丙中绳的拉力应沿着绳指向绳收缩的方向，因此绳的弹力方向沿绳向上；假设斜面B对小球P有弹力作用，小球P则不能保持静止，所以题图丙中小球不受斜面弹力的作用题图丁中A点属于杆与球面的接触点，弹力应垂直于球面的切面斜向上，且必过球心O，B点属于点与杆相接触，弹力应垂直于杆向上它们所受弹力的示意图如图所示判断弹力有无的两个误区1误认为两物体只要接触就一定存在弹力作用，而忽视了弹力产生的另一条件发生弹性形变2误认为有形变一定有弹力，而忽视了弹性形变和非弹性形变的区别针对训练1在图12中画出物体A所受弹力的示意图图12答案见解析图解析支持力、压力的方向都要与接触面垂直并指向被支持或被压的物体，物体A所受弹力的示意图如图所示四、胡克定律对于同一根弹簧，被拉得越长，弹簧的弹力越大，关于弹簧弹力的大小，甲说：弹簧弹力大小与其长度成正比；乙说：弹簧弹力的变化量F与弹簧形变的变化量x成正比哪个同学说法正确？答案乙同学说法正确弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比，即Fkx，也有Fkx.1成立条件：在弹性限度内2对Fkx的理解(1)x是弹簧的形变量，而不是弹簧形变后的长度(2)k为弹簧的劲度系数，反映弹簧本身的属性，由弹簧自身的长度、粗细、材料等因素决定，与弹力F的大小和伸长(或缩短)量x无关(3)Fx图象是一条过原点的倾斜直线(如图13所示)，直线的斜率表示弹簧的劲度系数k.图13(4)弹簧弹力的变化量F与形变量的变化量x也成正比，即Fkx.例4一根轻弹簧在10.0N的拉力作用下，其长度由原来的5.00cm伸长为6.00cm.(1)当这根弹簧长度为4.20cm时，弹簧受到的力为多大？(2)当弹簧受到15.0N的拉力时，弹簧的长度是多少？(弹簧始终在弹性限度内)答案(1)8.0N(2)6.50cm解析(1)弹簧原长L05.00cm5.00102m在拉力F110.0N的作用下伸长到L16.00cm6.00102m根据胡克定律得F1kx1k(L1L0)解得弹簧的劲度系数k1.00103N/m当压力为F2时，弹簧被压缩到L24.20cm4.20102m根据胡克定律得，压力F2kx2k(L0L2)1.00103N/m(5.004.20)102m8.0N.(2)设当拉力F15.0N时弹簧的伸长量为x.由胡克定律得x1.50102m1.50cm此时弹簧的长度为LL0x6.50cm.1轻质弹簧有压缩形变和拉伸形变，既能产生压力，又能产生拉力，方向沿弹簧的轴线方向2如果题目中只告诉弹簧的形变量，并没有指出是伸长还是压缩，或只告诉弹簧弹力的大小，并没有指出弹簧处于拉伸状态还是处于压缩状态，就要分别进行讨论3轻质弹簧的一端空载时弹力为零，不空载时两端弹力大小必然相等针对训练2测得一只弹簧测力计3N和5N两刻度线之间的距离为2.5cm.求：(1)这只弹簧测力计的劲度系数；(2)这只弹簧测力计3N刻度线与零刻度线之间的距离答案(1)80N/m(2)3.75cm解析(1)根据胡克定律得kN/m80 N/m.(2)因为F1kx1所以x1m0.0375m3.75cm即3N刻度线与零刻度线之间的距离是3.75cm.1(对弹力概念的理解)(多选)在日常生活及各项体育运动中，有弹力出现的情况比较普遍，如图14所示的跳水运动就是一个实例请判断下列说法正确的是()图14A跳板发生形变，运动员的脚没有发生形变B跳板和运动员的脚都发生了形变C运动员受到的支持力，是跳板发生形变而产生的D跳板受到的压力，是跳板发生形变而产生的答案BC2(弹力的方向)已知图15中的球均处于静止状态，球是光滑的，请画出它们所受弹力的示意图图15答案如图所示3(弹力有无的判断)下列各图中P、Q两球之间不存在弹力的是(所有接触面都是光滑的)()答案A解析A图中两球间若有弹力则小球Q将向右运动，所以P、Q间无弹力；B图中两球间若无弹力，则两球将向大圆弧底部运动，所以P、Q间有弹力；C图中两球间若无弹力则小球P将向右下运动，所以P、Q间有弹力；D图中两球间若无弹力则小球P将向右下运动，所以P、Q间有弹力故选A.4(胡克定律的应用)如图16所示，锻炼身体用的拉力器，并列装有四根相同的弹簧，每根弹簧的自然长度都是40cm，某人用600N的力把它们拉长至1.6m，则()图16A人的每只手受到拉力器的拉力为300NB每根弹簧产生的弹力为150NC每根弹簧的劲度系数为93.75N/mD每根弹簧的劲度系数为500N/m答案B解析每只手受到的拉力均为600N，故A错误；每根弹簧产生的弹力为N150N，故B正确；每根弹簧的劲度系数kN/m125 N/m，故C、D错误5.(胡克定律的应用)由实验测得某弹簧所受弹力F和弹簧的长度l的关系图象如图17所示，求：图17(1)该弹簧的原长为多少？(2)该弹簧的劲度系数为多少？答案(1)15cm(2)500N/m解析解法一：(1)弹簧不产生弹力时的长度等于原长，由题图可知该弹簧的原长为l015cm.(2)据Fkx得劲度系数：k，由题图可知，该弹簧伸长l25cm15cm10cm时，弹力F50N所以kN/m500 N/m.解法二：根据胡克定律得Fk(ll0)，代入题图中的两点(0.25,50)和(0.05，50)可得50k(0.25l0)50k(0.05l0)解得l00.15m15cm，k500N/m.一、选择题考点一物体的形变和弹力1足球运动是目前全球体育界最具影响力的项目之一，深受青少年喜爱如图1所示为三种与足球有关的情景下列说法正确的是()图1A甲图中，静止在草地上的足球受到的弹力就是它的重力B乙图中，静止在光滑水平地面上的两个足球由于接触而受到相互作用的弹力C丙图中，落在球网中的足球受到弹力是由于足球发生了形变D丙图中，落在球网中的足球受到弹力是由于球网发生了形变答案D解析静止在草地上的足球受到的弹力，与重力相平衡，但不是它的重力，故A错误；静止在光滑水平地面上的两个足球虽然接触，但由于没有发生弹性形变，所以没有受到相互作用的弹力，B错误；足球撞到球网上，球网被撑开，由于球网的形变，而使足球受到了弹力，故C错误，D正确2.如图2所示，液晶电视静止于电视机架上，关于液晶电视与电视机架之间的相互作用，下列说法正确的是()图2A液晶电视向下形变，对电视机架产生压力的作用B液晶电视向上形变，对电视机架产生压力的作用C电视机架向下形变，对液晶电视产生压力的作用D电视机架向上形变，对液晶电视产生支持力的作用答案B解析液晶电视对电视机架产生压力是由于液晶电视向上形变引起的，选项A错，B对；电视机架对液晶电视产生支持力是由于电视机架向下形变引起的，选项C、D错考点二弹力的有无及其方向的判断3(多选)如图3所示，图中的物体A均处于静止状态，关于物体A受到弹力作用的说法正确的是()图3A图甲中地面是光滑水平的，A与B间存在弹力B图乙中两斜面与水平地面的夹角分别为、，A对两斜面均有压力的作用C图丙中斜面B对A无弹力的作用D图丁中斜面光滑，A不受B对它的弹力作用答案BD解析题图甲中对B进行受力分析，B球受重力和地面的弹力的作用，处于静止状态，不可能再受到A对它的弹力作用；B选项中采用假设法，若去掉左侧的斜面，A将运动，若去掉右侧的斜面，A也将运动，所以球A对两斜面均有压力的作用；C选项中假设斜面B不存在，则小球A无法在原位置保持静止，故题图丙中小球受到斜面的弹力D选项中假设斜面B对小球A有弹力作用，则小球A不能保持静止，所以题图丁中小球不受斜面弹力的作用4一杆搁在矮墙上，关于杆受到的弹力的方向，图中画得正确的是()答案D解析弹力的方向总是垂直于接触面指向受力物体，D对5.如图4所示，球A在斜面上，被竖直挡板挡住而处于静止状态，关于球A所受的弹力，以下说法正确的是()图4A.球A仅受一个弹力作用，弹力的方向垂直斜面向上B球A受两个弹力作用，一个水平向左，一个垂直斜面向下C球A受两个弹力作用，一个水平向右，一个垂直斜面向上D球A受三个弹力作用，一个水平向右，一个垂直斜面向上，一个竖直向下答案C解析由于球A对挡板和斜面接触挤压，挡板和斜面都发生弹性形变，它们对球A产生弹力，而且弹力的方向垂直于接触面，所以挡板对球A的弹力方向水平向右，斜面对球A的弹力方向垂直于斜面向上，故球A受两个弹力作用，一个水平向右，一个垂直斜面向上6如图5所示，是我国极地考察破冰船“雪龙号”为满足破冰航行的要求，其船体结构经过特殊设计，船体下部与竖直方向成特殊角度则船体对冰块的弹力示意图正确的是()图5答案C解析船体对冰块的弹力垂直于接触面，指向受力物体，故C正确，A、B、D错误7.(2018山东师大附中高一期中)如图6所示，倾角为30、重力为80N的斜面体静止在水平地面上，一根弹性轻杆的一端垂直固定在斜面体上，杆的另一端固定一个重力为2N的小球，小球处于静止状态时，下列说法正确的是()图6A斜面体有向左运动的趋势B地面对斜面体的支持力为80NC小球对弹性轻杆的作用力为2N，方向竖直向下D弹性轻杆对小球的作用力为2N，方向垂直斜面向上答案C解析斜面体、小球和杆组成的整体受到重力和地面的支持力而处于静止状态，所以地面对斜面体的支持力为82N，斜面体没有运动趋势，选项A、B错误；小球受到重力和杆的作用力，因为小球处于静止状态，所以杆对小球的作用力竖直向上，大小为2N，选项C正确，D错误8如图7所示，将一个钢球分别放在量杯、口大底小的普通茶杯和口小底大的普通茶杯中，钢球与各容器的底部和侧壁相接触，均处于静止状态若钢球和各容器侧壁都是光滑的，各容器的底部均处于水平面内，则以下说法正确的是()图7A各容器的侧壁对钢球均无弹力作用B各容器的侧壁对钢球均有弹力作用C量杯的侧壁对钢球无弹力作用，其余两种容器的侧壁对钢球均有弹力作用D口大底小的普通茶杯的侧壁对钢球有弹力作用，其余两种容器的侧壁对钢球均无弹力作用答案A解析假设容器侧壁对钢球无弹力作用，则钢球受重力和容器底部对它的支持力作用，钢球仍将处于静止状态，故钢球与容器侧壁虽然接触但没有发生弹性形变，容器侧壁对钢球无弹力作用我们也可以假设容器侧壁对钢球有弹力作用，作出各容器中钢球的受力示意图如图所示，可见三种情况均与钢球静止的题设条件相矛盾，所以原假设不成立，各容器的侧壁对钢球均无弹力作用，因此，本题正确选项为A.考点三胡克定律9(多选)关于胡克定律，下列说法正确的是()A由Fkx可知，在弹性限度内弹力F的大小与弹簧形变量x成正比B由k可知，劲度系数k与弹力F成正比，与弹簧的形变量成反比C弹簧的劲度系数k是由弹簧本身的性质决定的，与弹力F的大小和弹簧形变量x的大小无关D弹簧的劲度系数在数值上等于弹簧伸长(或缩短)单位长度时弹力的大小答案ACD解析在弹性限度内，弹簧的弹力与形变量遵守胡克定律Fkx，A正确；弹簧的劲度系数是由弹簧本身的性质决定，与弹力F及形变量x无关，B错误，C正确；由胡克定律得k，可理解为弹簧伸长(或缩短)单位长度时受到的弹力的值与k相等，D正确10(多选)弹簧原长为10cm，当挂上一个50g的钩码时，弹簧的长度变为12cm，当在原钩码下再挂一个同样的钩码时，弹簧仍处于弹性限度内，下列说法中正确的是(取g10m/s2)()A弹簧长度变为24cmB弹簧劲度系数为25N/mC弹簧比原长伸长了4cmD弹簧比原长伸长了2cm答案BC解析由题可知，F1mg0.5N，x12cm，根据胡克定律Fkx，得kN/m25 N/m.当拉力F21N时，由胡克定律得x2m4cm，所以弹簧的长度Lx2L04cm10cm14cm，选项B、C正确，A、D错误11(多选)一根轻弹簧一端固定，用大小为F1的力压轻质弹簧的另一端，平衡时长度为l1，若改用大小为F2的力拉轻质弹簧，则平衡时长度为l2.轻质弹簧的压缩或拉伸均在弹性限度内，则下列说法正确的是()A轻质弹簧的劲度系数为B轻质弹簧的劲度系数为C轻质弹簧的原长为D轻质弹簧的原长为答案BC解析设轻质弹簧原长为l0，劲度系数为k，根据胡克定律得F1k(l0l1)，F2k(l2l0)，两式联立得k，l0，选项B、C正确，A、D错误12如图8所示，四根完全相同的轻质弹簧都处于水平位置，它们的右端受到大小皆为F的水平拉力作用，而左端的情况各不相同：中弹簧的左端固定在墙上，中弹簧的左端受大小也为F的拉力作用，中弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的水平桌面上滑动，中弹簧的左端拴一小物块，物块