2019_2020学年高中物理第4章相互作用第2节形变与弹力讲义测试（含解析）鲁科版.docx

第2节形变与弹力1了解形变、弹性形变、范性形变、弹性限度等概念。2知道什么是弹力，理解弹力产生的条件。3知道压力、支持力、绳的拉力都是弹力，能在力的示意图中正确画出弹力的方向。4知道影响弹力大小的因素，理解胡克定律并能应用其解题。1.形变(1)定义：我们把物体发生的伸长、缩短、弯曲等变化称为形变。(2)分类弹性形变：我们把撤去外力后能恢复原来形状的物体称为弹性体，弹性体发生的形变叫做弹性形变。范性形变：有些物体发生形变后不能恢复原来的形状，这种形变叫做范性形变。(3)弹性限度：当弹性体形变达到某一值时，即使撤去外力，物体也不能再恢复原状，这个值叫弹性限度。2弹力(1)定义：物体发生弹性形变时，由于要恢复原状，会对与它接触的物体产生力的作用，这种力叫做弹力。(2)几种弹力常见弹力：通常所说的压力、支持力、拉力都是弹力。弹力的方向弹力的方向总是与物体形变的趋向相反，以使物体恢复原状。a压力和支持力的方向垂直于物体的接触面且指向于被压物或被支持物。b绳子的拉力沿着绳子而指向绳子收缩的方向。(3)胡克定律内容：在弹性限度内，弹性体(如弹簧)弹力的大小跟弹性体伸长(或缩短)的长度成正比。公式：Fkx，其中比例系数k叫做弹性体的劲度系数，简称劲度，单位是N/m。3弹力的应用(1)拉伸或压缩弹簧，必须克服弹簧的弹力做功，所做的功以弹性势能的形式储存在弹簧中。(2)弹簧具有弹性，可以缓冲或减震。(3)弹簧具有自动复位的作用。想一想怎样观测微小形变？提示：微小形变需要借助于仪器或其他辅助物才能观测到。如图所示，把一圆形玻璃瓶装满水，瓶口用中间插有细管(透明)的瓶塞塞住，用手挤压玻璃瓶，细管中的水就会上升，松开手，水面又降回原处。如果换成扁玻璃瓶，按压“扁”面瓶子容积变小，细管中液面上升，如果按压“凸”面瓶子容积反而变大，细管中液面会下降。所以如果用扁玻璃瓶来做实验，比圆玻璃瓶更容易说明有力就有形变。判一判(1)所有形变在撤去外力后都能够恢复原来形状。()(2)两个接触的物体间一定存在弹力。()提示：(1)(2)课堂任务形变和弹力1形变(1)形变：物体在力的作用下发生的形状或体积的改变。任何物体受力以后都要产生形变。常见的形变有：伸长、压缩、弯曲、扭转。一般讨论拉伸(或压缩)的形变。弹性形变：物体在外力作用下发生形变，如果撤去外力后，形变能完全恢复，这种形变叫弹性形变。如弹簧、橡皮筋等的形变可以看做弹性形变。范性形变：物体在发生形变后不能恢复原状，如橡皮泥、普通的泥巴的形变。如图所示为橡皮泥的形变。弹性限度：如果外力使物体的形变过大，超过一定限度，在撤去外力后，形变不能完全恢复，这个限度就叫弹性限度。(2)弹性形变大小一切物体在力的作用下都会产生形变，力越大形变越大。有的物体形变较为明显，比如拉伸的弹簧、弯曲的弓箭。有的物体的形变极其微小，比如重物放在桌面上时桌面的形变，只能用实验的方法显示出来。2弹力(1)什么是弹力概念：发生形变的物体，由于要恢复原状，对跟它接触的物体产生力的作用，这种力叫弹力。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弹性形变时，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由施力物体发生形变引起的。弹力产生的过程(2)弹力产生的条件物体间相互接触；发生弹性形变。(3)弹力的方向物体受弹力是因为跟它接触的物体要恢复形变而产生的，所以物体受弹力的方向就是跟它接触的物体恢复原状的方向。例如：如图所示，一本书放在桌面上，桌面向下“凹”了，对书产生向上的弹力(支持力)；书向上“凹”了，对桌面产生向下的弹力(压力)。例1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：弹力产生的条件需要两个：物体间相互接触；发生弹性形变。题图中小球都与物体有接触，但是否发生弹性形变肉眼看不出，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？替代法：将硬的形变微小的物体换成海绵等软的物体来观察；还有根据物体的运动状态来看；根据力产生的效果来看等等。规范解答用“假设法”来判断小球是否受斜面的弹力，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的弹力，施力物体是斜面；小球还受细绳的弹力，施力物体是细绳；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判断弹力有无的两大误区：(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弹性形变；(2)误认为有形变一定有弹力，忽略了弹性形变与范性形变的区别。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，而对于B图中的情况，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。课堂任务几种弹力1典型例子书与木板间的弹力：弹力的方向与接触面垂直，F1是书对木板的压力，F2是木板对书的支持力。2常见弹力的方向(1)有“面”参与的弹力的方向只要有“面”参与(不止表格中的例子)，弹力都是垂直于接触面指向受力物体。这里的“点与点”接触仍然属于有“面”参与，因为它们有个公切面。(2)三类特殊模型弹力的方向类型方向图示轻绳沿绳指向绳收缩方向轻弹簧沿弹簧形变的反方向续表类型方向图示轻杆可沿杆可不沿杆绳子只能拉，则绳子拉物体的弹力的方向总是沿着绳子指向绳收缩的方向，同一根轻质绳上的张力大小处处相等。弹簧可拉可压，弹簧的弹力沿其中心轴线，指向弹簧恢复原状的方向。轻杆可拉可压还可扭转，轻杆的弹力不一定沿杆的方向。轻杆的弹力方向较为复杂，一般根据物体的运动状态结合平衡条件确定轻杆的弹力方向。例2分别画出图甲、乙中小球、丙中杆的受力示意图。(甲中小球用细绳挂在光滑的墙壁上，乙中小球用细绳拴着静止在桌角上，丙中杆一端放在光滑的半球形碗中，另一端靠在墙壁上)(1)在点与面接触时，弹力方向如何确定？提示：弹力垂直于接触面或接触面的切面，且指向受力物体。(2)点与点接触时，弹力方向如何确定？提示：弹力垂直于过接触点的公切面，且指向受力物体。规范解答受力示意图如图所示。完美答案见规范解答判断弹力方向的步骤：(1)确定物体之间弹力作用的类型；(2)确定产生弹力的物体；(3)找出使物体发生形变的外力方向；(4)确定物体形变的方向；(5)确定物体产生的弹力方向。在下列三图中画出物体P受到的各接触点或面对它的弹力的示意图，其中图甲、乙中物体P处于静止状态，丙中物体P(即球)在水平面上匀速滚动。答案见解析解析题图甲中物体P所受到的弹力是绳对物体P的拉力，应沿绳指向绳收缩的方向，因此弹力方向沿绳向上；题图乙中A点属于点与球面相接触，弹力应垂直于球面在该点的切面斜向右上，必过球心O，B点属于点与杆相接触，弹力应垂直于杆斜向上；丙中小球P不管运动与否，都是属于平面与球面相接触，弹力应垂直于平面，且过球心，即竖直向上。它们所受弹力的示意图分别如图所示。课堂任务探究弹簧伸长量与弹力的关系一、实验目的1探究弹簧伸长量与弹力的关系。2学会利用列表法、图象法、函数法处理实验数据。二、实验原理1如图1所示，在弹簧下端悬挂钩码时弹簧会伸长，钩码静止时弹簧产生的弹力与所挂钩码的重力大小相等。2弹簧的长度可用刻度尺直接测出，伸长量可以由拉长后的长度减去弹簧原来的长度进行计算。这样就可以研究弹簧的伸长量和弹力之间的定量关系了。三、实验器材铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸。四、实验步骤1按图2安装实验装置，记下弹簧下端不挂钩码时所对应的刻度尺刻度l0。2在弹簧下端悬挂一个钩码，钩码静止时记下弹簧的总长度并记下钩码的重力。3增加钩码的个数，重复上述实验过程，将数据填入表格，以F表示弹力，l表示弹簧的总长度，xll0表示弹簧的伸长量。1234567F/N0l/cmx/cm0五、数据处理1.以弹力F(大小等于所挂钩码的重力)为纵坐标，以弹簧的伸长量x为横坐标，用描点法作图。连接各点，得出弹力F随弹簧伸长量x变化的图线，如图3所示。2以弹簧伸长量为自变量，写出弹力和弹簧伸长量之间的函数关系。六、误差分析由于弹簧原长及伸长量的测量都不便于操作，存在较大的测量误差。另外由于弹簧自身的重力的影响，即当未挂重物时，弹簧在自身重力的作用下，已经有一个伸长量，如果弹簧原长是在弹簧处于水平方向时测量的，Fx图线往往不过原点。七、注意事项1所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度。2每次所挂钩码的质量差适当大一些，从而使坐标纸上描的点适当稀一些，这样作出的图线更精确。3测弹簧长度时，一定要在弹簧竖直悬挂且处于静止状态时测量，刻度尺要保持竖直并靠近弹簧，以免增大误差。4描点画线时，所描的点不一定都落在一条直线上，但应注意要使不落在直线上的点均匀分布在直线的两侧。5记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位。八、实验结论实验表明，在弹性限度内，弹簧弹力的大小F跟弹簧伸长的长度x成正比，即Fkx。k称为劲度系数，单位是N/m。k即Fx图象的斜率。例3由实验测得某弹簧的长度x和弹力F的关系如图所示，求：(1)弹簧的原长；(2)弹簧的劲度系数；(3)用45 N的力拉弹簧时，弹簧的伸长量；(4)当用25 N的力压弹簧时，弹簧的长度。(1)图象的横轴是公式Fkx中的x吗？提示：不是。Fkx中的x是弹性体长度的变化量，图中的x是弹簧的长度。(2)图象中的力为什么有正负？弹簧原长在图象中怎么看？提示：力的正负表示是拉力还是压力，以拉力的方向为正。正负的交替处是弹簧原长的位置，也就是弹力为零时，弹簧处于原长。(3)图线斜率的意义是什么？提示：表示弹簧的劲度系数。规范解答(1)弹簧不产生弹力时的长度等于弹簧的原长，由题图可知该弹簧的原长为x015 cm。(2)据Fkx得劲度系数：k。由图象可知，该弹簧伸长量x25 cm15 cm10 cm时，弹力F50 N，所以，k N/m500 N/m。(3)由公式Fkx可知，用45 N的力拉弹簧时，弹簧的伸长量x1 m0.09 m9 cm。(4)当用25 N的力压弹簧时，弹簧的压缩量x2 m0.05 m5 cm，所以此时弹簧的长度xx0x210 cm。完美答案(1)15 cm(2)500 N/m(3)9 cm(4)10 cm某同学在做“探究弹簧伸长量与弹力的关系”的实验中，所用实验装置如图所示，所用的钩码每只质量都是30 g。他先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在弹簧的下端，每次都测出相应的弹簧总长度，并将数据填在下表中。实验中弹簧始终未超过弹性限度，取g10 m/s2。试根据这些实验数据在如图所示的坐标系中作出弹簧所受弹力大小与弹簧总长度之间的函数关系的图线。则：钩码质量(g)0306090120150弹簧总长度(cm)6.007.008.009.0010.0011.00(1)写出该图线的数学表达式F_ N。(2)图线与横轴的交点的物理意义是_。(3)该弹簧的劲度系数k_ N/m。(4)图线延长后与纵轴的交点的物理意义是_。答案见解析解析描点作图，图象如图所示。(1)由图象可以得出图线的数学表达式为F(30L1.8) N。(2)图线与横轴的交点表示弹簧所受弹力F0时弹簧的长度，即弹簧的原长。(3)图线的斜率即为弹簧的劲度系数k30 N/m。(4)图线延长后与纵轴的交点表示弹簧长度为5 cm时的弹力，此时弹簧被压缩了1 cm，即表示弹簧被压缩1 cm 时的弹力。课堂任务胡克定律1胡克定律(1)内容：在弹性限度内，弹性体(如弹簧)弹力的大小与弹性体伸长(或缩短)的长度成正比，即Fkx。(2)x为长度变化量，即伸长量或缩短量。(3)k称为弹簧的劲度系数。k越大，弹簧越“硬”；k越小，弹簧越“软”。(4)对于有明显弹性形变的弹簧、橡皮条等物体，弹力的大小可以由胡克定律计算。2应用胡克定律Fkx时要注意下列问题(1)只适用于弹簧发生弹性形变时，若形变超出弹性限度，此式不再成立。(2)x是弹簧的形变量，不是弹簧的原长，也不是弹簧形变后的实际长度。(3)如图所示，Fx图象中斜率表示弹簧的劲度系数，对于同一根弹簧来说，劲度系数是不变的。(4)由于F1kx1，F2kx2，故FF2F1kx2kx1kx，因此，弹簧上弹力的变化量F与形变量的变化量也成正比关系，即Fkx。(5)应用胡克定律计算弹簧的弹力大小时，或判断弹簧弹力的方向时，都要注意弹簧是被拉伸，还是被压缩。例4如图所示，两根相同的轻弹簧S1、S2，劲度系数都为k4102 N/m，悬挂重物的质量分别为m12 kg，m24 kg，取g10 m/s2，则静止时S1、S2的伸长量分别为()A5 cm、10 cm B10 cm、5 cmC15 cm、10 cm D10 cm、15 cm(1)胡克定律的表达式是什么？提示：Fkx。(2)S1弹力的大小与m1的重力大小相等吗？提示：不相等，与m1和m2的重力之和相等。规范解答(1)弹簧S1的伸长量。(2)弹簧S2的伸长量。完美答案C应用胡克定律时要注意弹簧原长和现在长度的关系，要注意弹簧形变量是伸长量还是压缩量。此题还应注意，弹簧S2只挂了一个物体，上面的物体对S2只起固定作用。而弹簧S1挂了两个物体，对弹簧S1来说，将弹簧S2换为一根线，或将两个物体直接粘在一起都没有差别。如图所示，两木块质量分别为m1和m2，两轻质弹簧的劲度系数分别为k1和k2，上面木块压在上面的弹簧上(但不拴接)，整个系统处于平衡状态。试求两弹簧的压缩量x1和x2。答案解析根据二力平衡，上面弹簧对m1的弹力F1与m1的重力m1g是一对平衡力，有：F1m1g，根据胡克定律F1k1x1，得上面弹簧的压缩量x1；把m1和m2看成一个整体，根据二力平衡，下面弹簧对整体的弹力F2与总重力(m1m2)g是一对平衡力，有：F2(m1m2)g，根据胡克定律F2k2x2，得下面弹簧的压缩量x2。A组：合格性水平训练1(弹力的理解)关于弹力的理解，下列说法正确的是()A一个弹力必定联系着两个物体，其中每个物体既是受力物体，又是施力物体B放在桌面上的木块受到桌面对它向上的弹力，这是由于木块发生微小形变而产生的C压缩弹簧时，手先给弹簧一个压力，等弹簧再压缩后才反过来给手一个弹力D两物体只要接触，就一定会产生弹力答案A解析力是物体间的相互作用，受力物体同时也是施力物体，施力物体同时也是受力物体，它们同时产生、同时消失，故A正确，C错误；放在桌面上的木块受到桌面给它向上的弹力，这是由于桌面发生微小形变而产生的，故B错误；两物体如果只是接触而没有发生弹性形变，也不会产生弹力，D错误。2.(弹力的判断)如图所示，一小球用两根轻绳挂于天花板上，球静止，绳1倾斜，绳2恰好竖直，则小球所受的作用力有()A1个 B2个C3个 D4个答案B解析绳1对小球没有力，否则绳2不会竖直。小球只受重力和绳2的拉力两个力作用，是二力平衡，B正确。3.(弹力方向)体育课上一学生将足球踢向墙壁，如图所示，下列关于足球与墙壁作用时墙壁给足球的弹力方向的说法正确的是()A沿v1的方向B沿v2的方向C先沿v1的方向后沿v2的方向D沿垂直于墙壁斜向左上方的方向答案D解析足球碰撞墙壁时受到的弹力的方向一定与墙壁垂直，指向足球，故D正确，A、B、C均错误。4.(弹力方向)(多选)一物体A静止在斜面上，如图所示，则()A斜面对A的支持力竖直向上BA对斜面的压力竖直向下C斜面对A的支持力垂直斜面向上DA对斜面的压力垂直斜面向下答案CD解析根据物体间弹力方向的特点，物体间接触面上的弹力方向垂直于接触面指向受力物体，所以C、D两项正确。5.(弹力的理解)玩具汽车停在模型桥面上，如图所示，下列说法正确的是()A桥面受向下的弹力，是因为桥梁发生了弹性形变B汽车没有发生形变，所以汽车不受弹力C汽车受向上的弹力，是因为桥梁发生了弹性形变D汽车受向上的弹力，是因为汽车发生了形变答案C解析汽车与桥面相互挤压都发生了形变，B错误；由于桥面发生弹性形变，所以对汽车有向上的弹力，C正确，D错误；由于汽车发生了形变，所以对桥面产生向下的压力，A错误。6(弹力有无的判断)如图所示，将一个钢球分别放在直壁容器、口大底小的容器和口小底大的容器中，钢球与各容器的底部和侧壁相接触，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，则以下说法中正确的是()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直壁容器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口大底小的容器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解析假设各容器侧壁对钢球均有弹力作用，作出各容器中钢球的受力分析图分别如图a、b、c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。7(弹力的理解)(多选)下列说法正确的是()A存在弹力的甲、乙两物体一定直接接触且都发生了形变B物体对桌面的压力就是重力C绳对物体拉力的方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向D劲度系数是弹簧本身的特性，与所受拉力的大小、形变大小都无关答案ACD解析根据弹力产生的条件，A正确。物体对桌面的压力的施力物体是桌面上的物体，受力物体是桌面，重力的施力物体是地球，受力物体是桌面上的物体，B错误。根据绳子拉力方向的特点，C正确。弹簧的劲度系数由弹簧本身决定，与所受拉力及形变大小无关，D正确。8(胡克定律)探究弹力和弹簧伸长的关系时，在弹性限度内，悬挂15 N重物时，弹簧长度为0.16 m；悬挂20 N重物时，弹簧长度为0.18 m，则弹簧的原长L0和劲度系数k分别为()AL00.02 mk500 N/mBL00.10 mk500 N/mCL00.02 mk250 N/mDL00.10 mk250 N/m答案D解析设弹簧原长为L0，劲度系数为k，弹簧的弹力为F1时，伸长量x1L1L0，F1k(L1L0)，即15k(0.16L0)，弹簧的弹力为F2时，伸长量x2L2L0，F2k(L2L0)，即20k(0.18L0)，由上面两式可解得L00.10 m，k250 N/m。D正确。9.(胡克定律)如图所示，A、B是两个相同的弹簧，原长x010 cm，劲度系数k500 N/m，如果图中悬挂的两个物体的质量均为m1 kg，求两个弹簧的总长度。(g10 N/kg)答案26 cm解析对下面物体受力分析，由二力平衡得：kxBmg，求出xB0.02 m2 cm，把两个物体看成一个整体，由二力平衡得：kxA2mg，求出xA0.04 m4 cm，所以两个弹簧的总长度为：x0xAx0xB10 cm4 cm10 cm2 cm26 cm。B组：等级性水平训练10.(胡克定律)如图所示，一根轻质弹簧，当它上端固定、下端悬挂重为G的物体时，长度为L1；当它下端固定在水平地面上，上端压一重为G的物体时，其长度为L2，则它的劲度系数是()A. B. C. D.答案D解析由胡克定律知，Gk(L1L0)，Gk(L0L2)，联立可得k，D正确。11.(综合)(多选)如图所示，A、B两个物块的重力分别是GA3 N，GB4 N，弹簧的重力不计，整个