高中物理 第三章 相互作用 3.2 弹力课件2 新人教版必修1.ppt

2弹力 1 弹性形变和弹力 1 形变 物体在力的作用下 发生的改变 2 弹性形变 发生形变的受力物体在外力撤除后能够 的形变 体积或形状 恢复原状 3 弹性限度 超过一定的限度 撤去外力后形变物体不能完全 4 弹力 由于要恢复原状 发生 的物体对与它接触的物体产生的作用力 恢复原状 弹性形变 2 几种弹力 1 常见的三种弹力 图甲中f1表示书对桌面的 f2表示桌面对书的 图乙表示绳的拉力 又叫绳的 2 常见弹力的方向 压力和支持力的方向都 选填 垂直 或 不垂直 于物体的接触面 绳的张力沿着绳指向 的方向 压力 支持力 张力 垂直 绳收缩 3 胡克定律 1 内容 弹簧发生弹性形变时 弹力的大小f跟弹簧伸长 或缩短 的长度x成 2 公式 f 其中k为弹簧的 单位 符号 正比 kx 劲度系数 牛顿 米 n m 预习自测 1 在图中 a b两球间一定有弹力作用的是 都静止 解析 选b 在a c选项中 若a对b有弹力 则弹力不能使b球静止在原来的位置 运动状态将发生改变 与球处于静止状态不符 故a c两项中 a b两球间无弹力 而b选项中若a球对b球无弹力 则球b在重力与绳的拉力作用下不能继续保持静止状态 故b选项中 a b两球间有弹力 选项d中a b间不一定有弹力 2 多选 下列各图中 p物体对q物体的压力的示意图有明显错误的是 解析 选b c d p物体对q物体的压力 受力物体是q 应该将力f画在受力物体q上 故选项b d错误 因为压力是弹力 所以压力的方向垂直于接触面 故选项c错误 3 如图所示 玩具汽车停在模型桥面上 下列说法正确的是 a 模型桥受到向下的弹力 是因为桥梁发生了弹性形变b 模型桥受到向上的弹力 是因为汽车发生了弹性形变c 汽车受到向上的弹力 是因为桥梁发生了弹性形变d 汽车受到向上的弹力 是因为汽车发生了弹性形变 解析 选c 模型桥受到向下的弹力 施力物体是汽车 汽车发生了弹性形变而对桥梁产生弹力 故选项a b错误 汽车受到向上的弹力 施力物体是桥梁 桥梁发生了弹性形变而对汽车产生弹力 故选项c正确 选项d错误 主题一弹性形变及弹力的产生 问题探究 探究点1弹性形变 1 如图甲所示 用力挤压玻璃瓶身 细管中的水面会上升 松手后水面下降 细管中水面的变化说明了什么 提示 甲图中细管中水面的变化说明了玻璃瓶发生了形变 2 如图乙所示 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 最后射到墙上 形成一个光点p 用力压桌面 观察到墙上光点的位置会发生变化 思考光点位置的变化说明了什么 提示 乙图中当力f增大时 两镜面均向里倾斜 使入射角减小 经两次累积 使反射光线的反射角更小 光点p下移 同理 若力f减小 光点p上移 光点位置的变化说明了桌面发生了形变 3 由上述两个实验说明什么 任何物体在力的作用下 都会产生 只是有的形变 有的形变 上述两个实验均采用了 显示微小形变的原理 形变 明显 不明显 放大法 探究点2弹力的产生 1 如图甲所示 物体a b并排静止在光滑水平面上 a b之间有弹力吗 提示 在图甲中 若移走物体a 物体b仍然静止 或者移走物体b 物体a仍然静止 说明虽然a b接触 但相互之间没有弹力的作用 2 如图乙所示 光滑物体c d叠放在光滑水平面上 处于静止状态 a b之间有弹力吗 提示 在图乙中 如果将物体d快速撤出 物体c会立即下落 这说明d阻止了c的下落 说明c d之间有弹力的作用 3 如图丙所示 在光滑水平面上 用力推动小车向左压弹簧 弹簧对小车有弹力作用吗 提示 松手后 压缩弹簧的小车被弹出 这说明弹簧对小车有弹力作用 4 如图丁所示 用力推动小车向左压橡皮泥 松手后橡皮泥对小车还有弹力作用吗 提示 压缩橡皮泥的小车不被弹出 这说明橡皮泥对小车没有弹力作用 5 弹簧和橡皮泥分别发生的形变有什么特点 弹簧形变的特点是 橡皮泥形变的特点是 弹簧形变后撤去外力能恢复 原状 属于弹性形变 橡皮泥形变后撤去外力 不能恢复原状 属于非弹性形变 6 从上述问题中 我们可以得出弹力产生的条件是什么 产生弹力的条件 物体间直接接触 接触处发生弹性 形变 探究总结 1 弹力产生的条件 2 判断弹力是否存在的两种方法 1 定义法 根据弹力产生的条件直接进行判断 如果具备弹力产生的 两个条件 则接触面之间存在弹力 否则 不存在弹力 2 假设法 假设无弹力 假设物体在某一接触处不存在弹力 看物体是否在该位置保持原来的状态 从而判断物体在该处是否受到弹力作用 例如 如图所示 一球放在光滑的水平面ac上 并和光滑面ab接触 球静止 分析球所受的弹力 假设去掉ab面 球仍保持原来的静止状态 可判断出在球与ab面的接触处没有弹力 假设去掉ac面 球将向下运动 故在与ac面的接触处受到弹力 其方向垂直于ac面竖直向上 假设有弹力 就是假设与研究对象接触的物体对研究对象施加了弹力 画出假设状态下的受力图 判断受力情况与原来状态是否矛盾 若矛盾 则不存在弹力 若不矛盾 则此弹力存在 拓展延伸 用放大法观察物体的微小形变 1 观察圆玻璃瓶的微小形变 如图所示 取一个圆玻璃瓶 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 玻璃瓶发生形变 容积减小 水受挤压 细管中水面上升 松开手后 形变恢复 水面落回原处 2 观察扁玻璃瓶的微小形变 将 1 中的圆玻璃瓶换成扁玻璃瓶 其横截面为矩形 如图甲所示 如果用手沿图乙方向挤压玻璃瓶 玻璃瓶发生形变 容积减小 可观察到细管中水面上升 如果用手沿图丙方向挤压玻璃瓶 玻璃瓶发生形变 容积增大 可观察到细管中水面下降 松手后 形变恢复 水面回到原位置 3 设计这个实验的原理是放大法 在有些现象 变化 待测量十分微小的情况下 往往采用放大法 物理学中不少重大发现利用了放大法 典例示范 如图所示 水平地面oa和倾斜墙ob均光滑 球c与oa ob均接触 试分析接触点a b处有无弹力 解题指南 解答本题应明确以下两点 1 判断a处时 可假设a处无弹力 2 判断b处时 可假设b处有弹力 解析 对a处 假设弹力不存在 球将在重力作用下下落 而实际并未下落 说明a处有挤压 有弹力 对b处 假设有弹力 球将受到一个斜向右下方的弹力作用 在这个力的作用下 球将向右运动 而实际上球却没有向右运动 说明b处无挤压 没有弹力 答案 a处有弹力 b处没有弹力 探究训练 1 2017 九江高一检测 关于弹力的产生 下列说法正确的是 a 两物体不接触时也可能产生弹力b 只要两物体相互吸引就一定产生弹力c 只要两物体发生形变就一定有弹力产生d 只有发生弹性形变的物体才会对与它接触的物体产生弹力作用 解析 选d 弹力的产生条件是接触并发生弹性形变 二者缺一不可 故a b c错 d正确 2 如图所示 用细绳悬挂的小球与光滑斜面相接触 并保持静止 甲中细绳倾斜 乙中细绳呈竖直状态 判断图甲 乙中小球是否受到斜面的弹力作用 解题指南 判断弹力是否存在 当形变明显时 可直接由弹力的产生条件进行判断 当形变不明显时 可采用假设法 状态法或替换法进行判断 解析 解法一 假设法 假设两图中的斜面不存在 则甲图中小球无法在原位置保持静止 乙图中小球仍静止 故甲图中小球受到斜面的弹力作用 乙图中小球不受斜面的弹力作用 解法二 状态法 设两图中斜面均对小球有弹力作用 则甲图中小球仍能保持静止状态 乙图中小球不能保持静止状态 所以乙图中小球不受斜面的弹力作用 甲图中小球受到斜面的弹力作用 答案 甲图中的小球受到斜面的弹力作用 乙图中的小球不受斜面的弹力作用 补偿训练 1 一辆汽车停在水平地面上 下列说法正确的是 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 是因为车轮也发生了形变 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 解析 选c 汽车停在水平地面上 因为地面发生了向下的形变 所以地面在恢复原状时对与之接触的车轮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 所以车轮在恢复原状时对与之接触的地面产生一个向下的弹力作用 故c正确 a b d错误 2 杂技演员具有高超的技术 如图所示 他能轻松地顶住从高处落下的缸 关于他顶缸时头顶受到的压力产生的直接原因是 a 缸的形变b 头的形变c 物体受到的重力d 人受到的重力 解析 选a 头顶受到的压力的施力物体是缸 受力物体是头顶 头顶受到的压力产生的直接原因是缸的形变 间接原因是缸受到的重力 a项正确 3 如图所示 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烧杯中 钢球在各容器的底部与侧壁相接触 处于静止状态 若钢球和各容器都是光滑的 各容器的底部均处于水平面内 则下列说法中正确的是 a 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 解析 选a 弹力产生的条件是两物体直接接触且发生弹性形变 钢球与容器的侧壁接触 是否有弹力作用 就看接触处是否发生弹性形变 但微小形变难以察觉 可借助假设法判断 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的假设成立 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 故a对 4 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 如图所示为四种与足球有关的情景 下列说法正确的是 a 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 踩在脚下且静止在水平草地上的足球可能受到3个力的作用d 丁图中 落在球网中的足球受到弹力是由于足球发生了形变 解析 选c 静止在草地上的足球受到的弹力是地面对球的向上的力 受到的重力是地球对球的向下的力 选项a错误 静止在光滑水平面上的两个足球间没有相互作用的弹力 选项b错误 踩在脚下的足球可能受重力 地面对它的弹力 脚对它的弹力三个力的作用 选项c正确 网中的足球受到弹力是由于网发生了形变 选项d错误 主题二弹力的方向 问题探究 探究点1面 面接触中弹力的方向 1 如图甲所示 把装有水的瓶子放在桌面上 瓶子受到的弹力是由哪个物体发生形变而产生的 方向如何 提示 瓶子受到的弹力是桌面发生形变而产生的 方向竖直向上 2 桌面受到的弹力是由哪个物体发生形变而产生的 方向如何 试在图中分别画出 提示 桌面受到的弹力是瓶子发生形变而产生的 方向竖直向下 力的示意图如图所示 探究点2弹簧弹力的方向 1 如图乙 丙所示 在弹簧下端和弹簧上端分别固定物块m 都处于静止状态 乙图中弹簧对物块的弹力沿什么方向 提示 乙图中弹簧被拉伸 所以弹簧弹力方向竖直向上 指向弹簧收缩的方向 2 丙图中弹簧对物块的弹力沿什么方向 提示 丙图中弹簧被压缩 所以弹簧弹力方向竖直向上 背离弹簧压缩的方向 3 由此能得到弹簧弹力方向与形变方向有何关系 由此可知弹簧弹力方向与形变方向 相反 探究点3轻杆中的弹力方向丁图中三个重物均静止 则杆a b c的弹力方向如何 请分析并画出弹力的示意图 提示 丁图中a杆给重物的弹力f类同于绳子的作用 为拉力 方向沿杆向上 如图a所示 丁图中b杆给重物的弹力f类同于支持力 方向沿杆向上 如图b所示 丁图中c杆给重物的弹力f并不沿着杆 根据二力平衡判断出f的方向应竖直向上 如图c所示 探究总结 1 几种常见弹力的方向 2 判断弹力方向的一般步骤 1 判定物体之间弹力作用的类型 2 判定产生弹力的物体 3 判定物体形变的方向 4 判定物体产生的弹力方向 典例示范 请在图中画出杆或球所受的弹力 a 杆靠在墙上 b 杆放在半球形的槽中 c 球用细线悬挂在竖直墙上 d 点1 2 3都可能是球的重心位置 点2是球心 1 2 3点在同一竖直线上 解题指南 解答本题时应明确以下三点 1 若为面面 或曲面 接触 弹力垂直于面 2 绳上弹力沿绳并指向绳收缩方向 3 与球面接触的弹力方向延长线或反向延长线过球心 解析 本题考查对弹力方向的判定 关键是熟悉各种接触中的弹力方向 a 杆在重力作用下对a b两处都产生挤压作用 故a b两处对杆都有弹力 弹力方向与接触点的平面垂直 如图甲所示 b 杆对c d两处都有挤压作用 因c处为曲面 d处为支撑点 所以c处弹力垂直于其切面指向球心 d处弹力垂直于杆斜向上 如图乙所示 c 球挤压墙壁且拉紧绳子 所以墙对球的弹力与墙面垂直 绳子对球的弹力沿绳子斜向上 如图丙所示 d 当重心不在球心处时 弹力作用也必通过球心o 如图丁所示 应注意不要错误地认为弹力作用线必定通过球的重心 答案 见解析图 规律方法 作受力图时确定弹力的方向的四种情形 1 若接触面之一为平面 则弹力一定垂直于该平面 2 若接触面之一为球面 则弹力一定过球心 3 若接触面之一为曲面 则弹力一定垂直于过接触点的切面 4 若接触处之一为一直线 则弹力一定垂直于该直线 探究训练 1 2017 孝感高一检测 在立起一根木棍的过程中要经过如图所示的位置 此时地面对木棍的弹力方向是图中的 a f1的方向b f2的方向c f3的方向d f4的方向 解析 选b 本题属于点面接触 弹力方向垂直于接触面指向被支持的物体 所以地面给木棍的弹力的方向正确的是f2 2 画出图中物体a和b所受重力 弹力的示意图 各接触面均光滑 各物体均静止 解析 各图中a b受力如图所示答案 见解析 补偿训练 1 在图中 物体a处于静止状态 请画出各图中物体a所受的弹力 解析 弹力的方向垂直于接触面 物体a受到的弹力如图所示答案 见解析 2 如图所示 光滑但质量分布不均的小球的球心在o点 重心在p点 小球静止在竖直墙和桌边之间 试画出小球所受弹力 解析 本题考查弹力的方向 由于弹力的方向总是垂直于接触面 在a点弹力f1应该垂直于球面 所以沿半径方向指向球心o 在b点弹力f2应该垂直于墙面 因此也沿半径指向球心o 弹力必须指向球心 而不一定指向重心 又由于f1 f2 g为共点力 重力的作用线必须经过o点 因此p和o必在同一竖直线上 答案 如图所示 主题三胡克定律 问题探究 1 图甲表示弹簧处于原长状态 图乙表示弹簧处于拉伸状态 图丙表示弹簧处于压缩状态 请结合甲 乙 丙图分析在公式f kx中 x表示的是弹簧的长度吗 若不是 它表示什么意义 图甲中弹簧的原长为l0 图乙中在拉力f的作用下弹簧的长度为l1 图丙中在压力f 的作用下 弹簧的长度为l2 则f和f 分别等于多少 提示 x表示的是弹簧伸长的长度或缩短的长度 而不是弹簧的长度 图乙中弹簧伸长量为 l1 l0 图丙中弹簧压缩量为 l0 l2 所以f k l1 l0 f k l0 l2 2 弹簧弹力的变化量 f与形变量的变化量 x是否也成正比关系 试证明 提示 成正比 由于f1 kx1 f2 kx2 故 f f2 f1 kx2 kx1 k x2 x1 k x 所以弹簧的弹力的变化量 f与形变量的变化量 x也成正比 3 若以弹力和弹簧形变量分别作为纵轴和横轴建立f x图象 图象的斜率表示什么物理意义 如果弹簧1 2的f x图象如图所示 哪根弹簧的劲度系数较大 提示 由胡克定律f kx可得k 所以f x图象的斜率表示弹簧的劲度系数 斜率越大 劲度系数越大 弹簧越硬 由图可知 图象1的斜率较大 所以弹簧1的劲度系数较大 探究总结 1 定律的适用条件 弹簧发生弹性形变且必须在弹性限度内 2 表达式中的x的意义 弹簧的形变量 即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实际长度 同一弹簧伸长或压缩相同长度时 弹力大小相等 但方向不同 3 表达式中的k的意义 弹簧的劲度系数 它反映了弹簧的 软 硬 程度 是由弹簧本身的性质 材料 长度 粗细等 决定的 在国际单位制中k的单位为 n m 4 单位应用 由于弹簧的形变量x通常以 cm 为单位 而劲度系数k又往往以 n m 为单位 因而在应用公式时要注意将各物理量的单位统一为国际单位制 5 f x图象 根据胡克定律 可作出弹力f与形变量x的图象 如图所示 这是一条通过原点的倾斜直线 其斜率 反映了k的大小 故胡克定律还可写成 f k x 即弹力的变化量 f跟弹簧形变量的变化量 x成正比 典例示范 2017 苏州高一检测 如图所示为一轻质弹簧的长度l和弹力f大小的关系图象 试由图象确定 1 弹簧的原长 2 弹簧的劲度系数 3 弹簧伸长10cm时 其弹力的大小 解题指南 解答本题时应明确以下两点 1 f l图象中l的意义 2 图线的斜率在数值上等于弹簧的劲度系数 解析 1 由图知 当弹簧长度为10cm时 弹力f 0 故弹簧的原长l0 10cm 2 由图可知 当弹力的变化量 f 10n时 弹簧长度的变化量 x 5cm 0 05m 由 f k x得k 200n m 3 当x 10cm 0 1m时 由f kx得f 200 0 1n 20n 答案 1 10cm 2 200n m 3 20n 规律方法 弹力大小的计算 1 公式法 用f kx计算 适用于弹簧类弹性物体弹力的计算 2 平衡法 如悬挂在竖直细绳上的物体处于静止状态时 物体受绳竖直向上的拉力和竖直向下的重力作用 根据二力平衡得到绳的拉力大小等于物体重力的大小 探究训练 1 多选 关于胡克定律的下列说法 正确的是 a 拉力相同 伸长也相同的弹簧 它们的劲度系数相同b 劲度系数相同的弹簧 弹簧的伸长相同c 知道弹簧的劲度系数 就可以算出任何拉力下的弹簧伸长d 劲度系数和拉力 伸长没有关系 它只取决于弹簧的材料 长短 弹簧丝的粗细 解析 选a d 根据胡克定律可知选项a正确 劲度系数相同 如果弹力不同 其伸长量不同 故选项b错误 如果超出了弹性限度 胡克定律不成立 这时就无法求出伸长量 故选项c错误 弹簧的劲度系数由弹簧本身的材料 长短 弹簧丝的粗细来决定 与外界因素无关 故选项d正确 2 2016 江苏高考 一轻质弹簧原长为8cm 在4n的拉力作用下伸长了2cm 弹簧未超出弹性限度 则该弹簧的劲度系数为 a 40m nb 40n mc 200m nd 200n m 解析 选d 根据胡克定律f k x解得k 200n m 补偿训练