工程力学基础教案.doc

机械基础 机 械 基 础 第一学年 第一学期 教案编号 课题名称机 械 基 础课 时2章 节项目2 工程力学基础任务一 认识力的概念与基本性质总课时32教学目标知识目标1. 了解力矩、力偶、力偶矩、平面力偶系的概念；2. 理解力及力系的概念和力的基本性质；3. 掌握静力学基本公理。能力目标培养学生能够解决静力学和平面力偶系问题的能力情感态度价值观培养学生对力学的认识与学习的兴趣教 学重点难点重点1力及力系的概念和力的基本性质。难点1.静力学基本公理2.平面力偶系的合成和平衡条件教学环境教 室教学资源 机械挂图、教具课前准备 准备挂图、教具教法建议讲授法、讨论法教学活动设计序号主要教学内容师生活动设计1一、力及力系的概念学生、老师互动讨论为主2二、静力学基本公理 教师重点介绍3三、力矩和力偶教师重点介绍 教 学 实 施 步 骤教学环节教学内容及教师活动学生活动时间分配复习旧课提问：1. 机器、机构的含义？2. 运动副的类型和符号？3. 机械危险的主要形式和预防措施？分别找学生回答10知识链接一、力及力系的概念1.力 力的概念是整个力学的基础，物体发生形变和物体运动状态发生变化均离不开力。力是改变物体运动状态或使物体变形的物体间相互的机械作用。 (1)力是物体对物体的相互作用 一个物体受到力的作用，一定是另一个物体对它施加这种作用。受力的物体叫受力体，施力的物体叫施力体。力不能脱离物体而单独存在，这即是力的物质性和相互性。 应注意：在分析物体受力时，一定要找出施力的物体，如果没有施力体，这个力就不存在。如：正在空中向前飞行的子弹，受到重力和空气的阻力，地球和空气是施力体，子弹是受力体。有人说，因为子弹正在向前飞行，所以它还应受到一个向前的推力作用，这是不对的，因为找出不推力的施力物体。 （2）力是改变物体运动状态的原因 物体的运动状态的改变主要是指物体的速度的变化。速度的大小发生变化；速度的方向发生变化；速度的大小和方向都变化，这三种情况均认为物体的运动状态发生了变化。 当物体受到一个力的作用，或受到几个力的作用，但合力不为零时，力的作用就会使物体运动状态改变，物体将做变速直线运动或曲线运动。 应注意：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。 (3)力的矢量性：力不但有大小，而且有方向，这种既由大小又由方向决定的量，我们叫矢量。大小相同而方向不同的两个力分别作用在物体上，如图1所示，物体的运动状态变化就不同。图1(4) 力的三要素 影响力的作用效果的是力的大小、方向和作用点，称之为力的三要素。2.力系力系概念：同时作用在同一物体上的一群力。等效力系等效力系：两力系对物体的作用效应相同，则二者互为等效力系。平衡力系 如果某一个力系作用到原来平衡的物体上，而物体仍然保持平衡，则此力系为平衡力系。合力与分力 若一个力与一个力系等效，则称这个力为该力系的合力，而该力系中的各个力称为这个力的分力。由已知力系求合力的过程称为力的合成，反之为力的分解二、静力学基本公理1.公理：二力平衡公理 刚体：不计变形的物体，是一个理想模型。 如图2-1-2（a）所示，悬挂着的电灯，受到向下的重力G和电线对它的拉力F的作用而处于静止平衡状态。由此可知，作用在刚体上的两个力，使刚体保持平衡状态的充分和必要条件是：两个力的大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上。对于刚体，力的作用只改变其运动状态。二力平衡只适用于刚体，对于变形体，二力平衡公理只是必要条件，但不是充分条件。如图2-1-2（b）所示绳索两端施加一对等值、反向、共线的拉力时可以平衡，但是受到一对等值、反向、共线的压力时就不能平衡了。只受两力作用并处于平衡状态的物体称为二力构件。当构件呈现杆状时，称为二力杆。如图2-1-3所示，二力杆CD处于平衡状态，根据公理1可知，作用在二力杆CD上的两个力FC和FD大小相等，方向相反，并在两个力作用点的连线上。2. 公理2：加减平衡力系公理在已知力系上加上火减去任一平衡力系，不改变原力系对刚体的作用效应。 推论：力的可传递性原理 作用于刚体上某一点的力，可沿其作用线移至刚体上任一点，二不会改变原力系对刚体的作用效应。如图2-1-5所示，力F作用在刚体上A点和作用在刚体B点的效果是一样的。3. 公理3：力的平行四边形公理 作用于物体上某一点的两个力的合力也作用于该点，合力FR的大小和方向由这两个力为邻边构成的平行四边形的对角线来确定。如图2-1-6（a）所示，作用于物体的两个力F1和F2的合力为FR，也可用矢量式表示为FR =F1+F2推论：三力平衡交汇定理刚体上受同一平面内互不平行的三个力作用而且相互平衡时，则此三个力的作用线汇交于一点，并在同一平面内。如图2-1-6（b）所示，刚体受F1、F2、F3三个力作用处于平衡状态，则F1、F2、F3必汇交于D点。4. 公理4：作用与反作用公理 两个物体间的作用力和反作用力总是同时存在，且大小相等、方向相反、沿着同一直线（简称等值、反向、共线），分别作用在这两个物体上。 如图2-1-7所示，将重量为G的物体放在水平桌面上，重物G对桌面有作用力（压力）N，而桌面对重物有反作用力N,作用于桌面，桌子对重物的反作用力则作用于重物。N与N是作用力与反作用力的关系，两者等值，即N=-N，而重力G与桌子对重物的反作用力N构成了一对平衡力。三、力矩和力偶1. 力矩与合力矩 （1）力矩：力对点之矩，简称为力矩。如图2-1-8所示，设螺母能绕O点转动，作用在扳手的力F在与螺母轴线垂直的平面内，力F的作用线到O点的垂直距离为d。力F使刚体绕某点O转动的效应，不仅与力F的大小成正比，而且与点O至力作用线的垂直距离d成正比。通常规定，力使刚体绕矩心做逆时针方向转动时，力矩为正，反之为负。离队点之矩用符号Mo（F）表示，即Mo（F）=Fd。在国际单位制中，力矩单位为Nm（牛米）（2）合力矩定理 平面汇交力系的合力对平面任一点的矩，等于力系中所有各分力对于该点力矩的代数和。即Mo（F）= Mo（F1）+Mo（F2）+Mo（F3）+Mo（Fn）=i=1n（Fi）2. 力偶与力偶矩力偶：作用在一物体上大小相等、方向相反、作用线平行而不重合的两个力所组成的力系称为力偶。如图2-1-9所示分别为用两手指旋转水龙头、双手转动方向盘、钳工用丝锥攻螺纹，都是施加力偶的例子。力偶矩如图2-1-10所示，力偶中两个力之间的垂直距离d称为力偶臂。力偶中的力臂d的乘积称为力偶矩。对于平面力偶，力偶对物体的转动效应应完全取决于力偶矩的大小和力偶的转向，而与矩心无关。M=Fd正、负号表示力偶的转向，并规定逆时针转向为正，顺时针转向为负。单位与力矩相同3. 平面力偶系的合成和平衡条件（1）平面力偶系的合成 作用在物体同一平面内的多个力偶，称为平面力偶系。平面力偶系可以合成为一个合力偶，它等于各力偶矩的代数和，即M= M1）+M2+M3+Mn.（2）平面力偶系的平衡条件：平面力偶系平衡的条件是所有力偶矩的代数和等于零。 课后作业1、 如何正确理解力的概念？哪些因素决定力的作用效果？2、 “合力一定大于分力”这种说法是否正确？举例说明为什么？3、 比较力矩和力偶矩两者的异同。老师、学生互动讨论老师具体讲解用挂图以图形并茂的形式，结合知识点进行具体的讲解，并让学生思考，举例说出自己平时见到过的零件。教师重点介绍并用挂图，以图形并茂的形式，结合知识点进行具体的讲解，并让学生思考想一想：现实生活中存在刚体吗？想一想：如图2-1-4所示，跳伞运动员和伞在空中匀速直线下降，若已知人和伞的总重，你能说出他们所受的阻力吗？想一想：力能否沿其作用线滑移至相邻的另一物体上？、小提示：平行四边形法则既是力的合成法则，也是力的分解法则。三力平衡汇交力系可利用这个定理确定未知力的方向。想一想：一对作用力与反作用力与一对平衡力有何区别？-+教师重点介绍并用挂图，以图形并茂的形式，结合知识点进行具体的讲解，并让学生思考想一想：力矩在什么情况下为零？4 3 3 887787 875课堂小结小结：1. 力矩、力偶、力偶矩、平面力偶系的概念；2. 力及力系的概念和力的基本性质；3. 静力学基本公理。5板书 设计认识力的概念与基本性质一、力及力系的概念1.力力的定义力的三要素力矢量2.力系力系概念等效力系平衡力系合力与分力二、静力学基本公理1.公理1：二力平衡公理刚体二力平衡公理二力构件和二力杆2. 公理2：加减平衡力系公理加减平衡力系公理推论（力的可传递性原理） 3. 公理3：力的平行四边形公理平行四边形公理推论（三力平衡汇交定理）平行四边形法既是力的