【人教版2019必修第一册】高一物理1重力与弹力（教学设计）教案

第1节重力与弹力（教学设计）年级高一年级学科物理教师课题第1节重力与弹力教学目标物理观念能通过分析生活中的现象，得出重力产生的原因和方向，会用弹簧测力计测量物体重力的大小；会根据弹力产生的条件或物体的运动状态及其变化，分析弹力的方向；会用力的图示或力的示意图表示力。科学思维通过分析并找出物体重力的作用点——重心，体会等效替代思想的应用。科学探究通过观察实验，能抽象概括出弹力产生的条件。科学态度与责任在实际问题中，确定物体的重心，体会引入重心概念的必要性和意义。教学重难点1.知道重力产生的原因、大小、方向及作用点(重点)。2.理解重心的概念和影响因素，掌握确定重心的方法(重难点)。3.理解弹力产生的原因，会判断弹力的方向(重难点)。4.能区分力的图示和力的示意图，会利用力的图示和力的示意图来表示力(重点)。5.理解胡克定律，会利用胡克定律解决有关问题(重点)。教学过程教师活动学生活动导入新课教师：初中学习过力，认识到力是一个物体对另一个物体的作用。我们该如何认识一个力呢?新课讲授一、重力教师：我们知道，地球周围的物体都会由于受到地球的吸引而受到力的作用。如图所示，思考:在下列情境中，苹果和重锤分别受到哪些力的作用?(忽略空气阻力)学生：在空中下落过程中，苹果只受到重力作用；重锤静止时，受到拉力和重力作用。教师：上述情境中，分别是谁受力?谁施力?学生：苹果和重锤受到的重力作用，其施力物体是地球。教师：如何度量情境中苹果和重锤受到的重力的大小?学生：重力可以根据G=mg求出。教师：g是多少?学生：9.8N/kg。教师：这里的g是自由落体加速度。在第二章的学习中我们知道，在没有空气阻力时由静止下落的物体做自由落体运动。做自由落体运动的物体只受到重力的作用。因此，g的单位既可以是N/kg，也可以是m/s2，而且1N/kg=lm/s2。教师：重力的方向如何?作用点在哪儿?学生：重力的方向总是竖直向下的，重力的作用点叫重心。教师：物体只有重心处才受到重力的作用吗?学生：不是。除了重心处，物体的其他部分也受到地球的吸引。教师：为什么物体受到的重力的作用点要画在重心处?何为物体的重心?学生：一个物体的各个部分都受到重力的作用，从效果上看，可以认为物体各个部分受到的重力作用集中于一点，这一点叫作物体的重心。教师：对重心概念的认识，用到了等效替代的思想，这也是物理学中常用到的思想方法之一。在今后的学习中，我们还将用此方法分析、解决问题。教师：请大家观察下图并思考:物体的重心位置怎么确定?重心的位置与哪些因素有关呢?学生：重心的位置与物体的形状有关。教师：质量分布均匀的物体，重心的位置只跟物体的形状有关。通过下图中画出的重力，我们不难看出，质量分布不均匀的物体，重心位置除了跟物体的形状有关外，还跟物体内质量的分布有关。教师：对形状不规则、质量分布不均匀的物体，如何确定物体的重心?学生：可以通过悬挂法，应用二力平衡的知识找物体的重心。教师：薄板状物体的重心位置可用悬挂法确定，如图所示，先在A点把薄板状物体悬挂起来，物体静止时，物体所受的重力与悬绳的拉力在同一竖直线上，所以物体的重心一定在通过A点的竖直线AB上．然后在C点把物体悬挂起来，同理知，物体的重心一定在通过C点的竖直线CD上，AB和CD的交点O就是薄板状物体的重心位置。教师：寻找班级使用的扫帚杆的重心。教师：通过上述分析，要研究某一种力，需要从哪些方面认识这个力呢?学生：因为物体间力的作用是相互的，要认识某一种力，必定涉及两个物体，因此首先要分清受力物体，然后思考:物体受到的力是如何产生的?力的大小是多少?其方向又如何?力的作用点在哪儿?教师：力既有大小，又有方向，是矢量。如果通过画图准确描述一个力，该如何表示力的大小呢?学生：规定一个长度代表力的大小。教师：如果我们用有向线段的长短表示力的大小，箭头表示力的方向，箭尾(或箭头)表示力的作用点，就可以准确描述出力的大小、方向和作用点。我们把这种表示力的方法，叫作力的图示。教师：在研究一个力时，要说清楚这个力的大小、方向和作用点，即要明确这个力的三要素。例1关于重力，以下说法正确的是()A．重力的方向总是垂直于接触面向下B．把处在空气中的物体浸入水中，物体所受重力变小C．挂在绳上静止的物体，它受到的重力就是绳对它的拉力D．同一物体在地球各处所受重力的大小不一定相等答案D解析重力的方向总是竖直向下的，但不一定是垂直于接触面向下的，比如在斜面上的物体所受的重力方向并不是垂直于斜面向下的，A错误；重力G＝mg，其大小只与物体质量、自由落体加速度g有关，与其他因素无关，B错误；绳子拉力的施力物体是绳子，重力的施力物体是地球，两者的施力物体不同，不是同一个力，C错误；由于自由落体加速度随着纬度、高度的变化而变化，所以同一物体在地球各处所受重力的大小不一定相等，D正确．例2关于重心，下列说法中正确的是()A．重心就是物体内最重的一点B．物体发生形变时，其重心位置一定不变C．重心一定在物体的几何中心D．采用背越式跳高的运动员在越过横杆时，重心位置可能在横杆之下答案D解析重心在效果上可以看作物体各部分所受重力作用集中于一点，而不是最重的点，A项错误；物体发生形变时，物体的形状发生改变，所以其重心位置可能改变，B项错误；重心的位置与物体的形状和物体内质量的分布有关，重心不一定在物体的几何中心，C项错误；采用背越式跳高的运动员在越过横杆时，其重心位置可能在横杆之下，D项正确．例3在图甲中木箱P点，用与水平方向成30°角斜向右上方的150N的力拉木箱；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的力使木块静止在墙壁上；图丙中物体沿着斜面下滑，作出甲、乙两图中所施加的力的图示；以及图丙中物体所受重力的示意图．答案参与扫帚杆的重心寻找并展示。新课讲授二、弹力教师：前面我们通过进一步学习重力，梳理了研究力的一般思路，即认识一个力，需要研究力的产生、大小、方向和作用点。除重力外，初中我们还学习了弹力，请思考下图中两个物体的受力情况。学生：弹簧下端的小球受到重力和弹簧弹力的作用;台秤上的物块受到重力和台秤支持力的作用。教师：弹簧下端的小球受到弹簧的弹力是如何产生的?学生：小球由于重力作用，向下拉弹簧使弹簧发生了形变。教师：台秤上的物块受到了台秤对物块的支持力，物块与台秤间是否也发生了形变呢?学生：没有吧，看不出来。教师：物体在力的作用下形状或体积会发生变化，这种变化叫作形变。下面做一个实验，请大家注意观察，并描述看到的现象。教师：如图所示，取一个扁玻璃瓶，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？教师：大家看到了什么现象呢?学生：当用手用力捏瓶子时，吸管中的液面发生了变化。教师：液面变化说明了什么问题?学生：说明玻璃瓶的形状或体积发生了变化。教师：通过上面的实验，我们发现有些物体在发生相互作用过程中，发生了形变，只是形变很小，不易观察。下面我们通过平面镜观察桌面的微小形变演示实验:如图所示，按压两镜之间的桌面，墙上的光点位置发生了变化，这个现象说明了什么?请根据图中的光路图说明。学生：当按压两镜之间的桌面时，改变了两平面镜之间的距离，从而改变了光路，因此光点位置发生了变化。教师：上图中物块与台秤之间的相互作用，使物块受到台秤竖直向上的支持力，物块与台秤之问发生形变了吗?学生：物块与台秤相互挤压，它们都发生了形变。教师：我们知道弹簧下端的小球受到弹簧竖直向上的弹力作用，是由于弹发生形变而产生的，那么物块受到台秤的支持力，是怎么产生的呢?学生：物块受到的支持力是由于台秤发生形变产生的。教师：弹簧被小球向下拉长，则弹簧对小球产生竖直向上的弹力，物块向下挤压台秤则台秤对物块产生竖直向上的支持力。若将弹换成轻绳，则轻绳被小球向下拉伸，轻绳对小球产生竖直向上的拉力。请大家举出更多的实例，思考:弹力的方向该如何判断呢?学生：弹力的方向与发生形变的方向相反。教师：发生形变的物体，要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫作弹力。弹力是在与它相接触的物体之间发生的。因此要产生弹力，首先两个物体要相互接触第二，两个物体之间要发生形变。这就是弹力产生的原因或条件。通过上述分析，我们知道了弹力产生的原因，那么我们又该如何知道弹力的大小呢?如何判断弹力的方向呢?如何确定弹力的作用点呢?教师：给出例题。例1请根据弹力的概念，在下图中画出物体所受的弹力。答案画出物体所受的弹力如下：教师：通过大量分析能够得到，弹力的方向总是指向恢复形变的方向，而弹力是在接触面上产生的，类比重心，我们也可以把接触面上各处受到的弹力作用集中于一点，在接触面上的某一点等效为弹力的作用点，再用力的图示或力的示意图画出弹力。弹力的大小又如何确定呢?学生：当物体静止时，可以根据二力平衡，得出弹力的大小。教师：对于一般的物体，高中阶段我们很难直接由公式得到弹力的大小，一般可以通过二平衡关系确定。当我们用弹簧测力计测量物体的重力时，根据二力平衡的条件，物体所旁的重力与弹簧对物体的拉力大小相等、方向相反，因此根据弹簧测力计的示数便能知道重力的大小。例2(多选)如图所示，各接触面是光滑的，A、B处于静止状态，则A、B间无弹力作用的是()答案AC解析对于A、C选项来说，假设物体A和B之间存在弹力，则物体均无法保持静止，故A、B之间无弹力；对于B、D选项来说，假设拿走B物体，A物体都会开始运动，故A、B间存在弹力．故选A、C.学生注意观察微小形变。新课讲授三、胡克定律教师：要探究弹簧弹力与形变量的关系，需要分别测最弹发生的形变量和弹簧弹力的大小。如何使弹簧发生形变?如何测量弹簧的形变量?如何确定弹簧弹力的大小?学生：可用手拉弹簧或在弹簧下端悬挂物体，使弹簧发生形变;弹簧的形变量可以用刻度尺测量;弹簧的弹力大小可以用物体所受的重力大小来计算。教师：为什么弹簧的弹力大小可以用物体所受的重力大小来确定呢?学生：当弹簧下端所挂的重物静止时，重物所受弹赞的弹力与重物所受的重力是一对平衡力，所以弹的弹力大小等于重物所受的重力大小。教师：要探究弹的弹力大小与形变量的关系，需要测量几组数据?学生：至少测量5组数据，通过多组数据，找出弹的弹力大小与形变量的关系。教师：要完成探究需要选择哪些实验器材?学生：铁夹、弹簧、刻度尺、钩码、铁架台、铅笔、坐标纸。教师：请写出实验步骤。学生：(1)如图所示，将弹簧的上端固定在铁架台的横杆上，用刻度尺测出弹簧自由下垂时的长度l0，即弹簧的原长。(2)在弹簧下悬挂一个钩码，平衡时记下弹簧的总长度l1和钩码的质量m1。(3)增加钩码的个数，测出对应的弹簧长度，记录m2、m3、m4、m5…和相应的弹簧长度l2、l3、l4、l5…并记入表格。教师：如何设计表格?学生：设计表格(如下表所示)。

钩码质量m/g弹簧的弹力F/N弹簧长度l/cm弹簧伸长的长度x/cmeq\f(F,x)(N/m)123456教师：如何通过测量的形变量和弹簧弹力，找出弹簧的伸长量与弹力之间的关系?学生：1.观察每增加1个钩码，弹簧发生的形变量是否相等。2.根据实验所得的数据写出弹簧弹力与形变量的关系式。教师：巡视并指导学生规范操作，完成实验。教师：通过实验你们能得出什么结论?学生：在误差允许的范围内，弹簧弹力与其伸长量成正比。教师：写出弹簧弹力与其形变量的数学关系式。学生：F＝kx。教师：实验得到的弹簧弹力与形变量的关系就是胡克定律，即F＝kx。其中x为弹发生的形变量，F为弹簧弹力的大小，k为弹簧的劲度系数。教师：我们知道长度x的单位是m，弹力F的单位是N，根据前而学习的方法，劲度系数k有单位吗?若有，k的单位是什么?学生：k有单位，根据F＝kx，得k＝eq\f(F,x)，所以劲度系数k的单位为N/m。教师：生活中说有的弹簧“硬”，有的弹“软”，指的就是它们的劲度系数不同。教师：除弹餐外，生活中我们经常用到皮筋，课下请大家根据本节课的探究过程，研究橡皮筋的弹力与橡皮筋的形变量之间的关系，看是否满足胡克定律。如果不满足，思考这种关系是否有其内在规律。例1(多选)关于胡克定律，下列说法正确的是()A．由F＝kx可知，在弹性限度内弹力F的大小与弹簧形变量x的大小成正比B．由k＝eq\f(F,x)可知，劲度系数k与弹力F成正比，与弹簧的形变量x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)单位长度时弹力的数值答案ACD解析在弹性限度内，弹簧的弹力与形变量遵守胡克定律F＝kx，A正确；弹簧的劲度系数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＝eq\f(F,x)，则可理解为弹簧伸长(或缩短)单位长度时弹力的数值与k的数值相等，D正确．例2一根轻质弹簧在10.0N的拉力作用下，其长度由原来的5.00cm伸长为6.00cm.求：(弹簧始终在弹性限度内)(1)当这根弹簧长度为4.20cm时，弹簧受到的压力是多大？(2)当弹簧受到15.0N的拉力时，弹簧的长度是多少？答案(1)8.00N(2)6.50cm解析(1)弹簧原长L0＝5.00cm＝5.00×10－2m在拉力F1＝10.0N的作用下伸长到L1＝6.00cm＝6.00×10－2m，根据胡克定律得F1＝kx1＝k(L1－L0)，解得弹簧的劲度系数k＝1.00×103N/m，设当压力大小为F2时，弹簧被压缩到L2＝4.20cm＝4.20×10－2m，根据胡克定律得，压力大小F2＝kx2＝k(L0－L2)＝1.00×103×(5.00－4.20)×10－2N＝8.00N.(2)设弹簧的弹力大小F＝15.0N时弹簧的伸长量为x.由胡克定律得x＝eq\f(F,k)＝eq\f(15.0,1.00×103)m＝1.50×10－2m＝1.50cm此时弹簧的长度为L＝L0＋x＝6.50cm.例3(多选)如图所示是某根弹簧的伸长量x与拉力F之间的关系图像，下列说法中正确的是()A．弹簧的劲度系数是2N/mB．弹簧的劲度系数是2×103N/mC．当弹簧受F2＝800N的拉力作用时，弹簧伸长量x2＝40cmD．当弹簧伸长量x1＝20cm时，拉力F1＝200N答案BC解析由题图知，弹簧受F2＝800N的拉力作用时，弹簧伸长量x2＝40cm，题图图线的斜率表示弹簧的劲度系数，k＝eq\f(800N,0.4m)＝2000N/m，B、C正确，A错误；当弹簧伸长量x1＝20cm时，根据F＝kx可得拉力F1＝400N，D错误．思考后回答，学生分组实验，并进行数据处理。课堂练习1.静止的车厢顶部用细线竖直悬挂一小球，如图所示，小球下方与一光滑斜面接触．关于小球的受力，下列说法正确的是()A．受重力和细线对它的拉力B．受重力、细线对它的拉力和斜面对它的支持力C．受重力和斜面对它的支持力D．受细线对它的拉力和斜面对它的支持力答案A解析小球处于静止状态，竖直方向二力平衡，则水平方向没有力的作用，否则细线不可能处于竖直状态，所以小球受重力和细线对它的拉力，故选项A正确．2.(多选)下列关于胡克定律的说法，正确的是()A．拉力相同、伸长量也相同的弹簧，它们的劲度系数相同B．劲度系数相同的弹簧，伸长量也相同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量D．弹簧的劲度系数和拉力、伸长量没有关系，它只决定于弹簧本身的性质答案AD解析根据胡克定律F＝kx可知，拉力相同，伸长量也相同的弹簧，它们的劲度系数相同，故A正确；劲度系数相同的弹簧，只有在拉力相同时弹簧的伸长量才相同，故B错误；胡克定律的成立条件是弹簧处于弹性限度内，超过弹性限度，此公式就不能计算弹簧伸长量，故C错误；弹簧的劲度系数和拉力、伸长量没有关系，它只决定于弹簧本身的性质，故D正确．3.(多选)一轻质弹簧的长度和弹力大小的关系如图所示，根据图像判断，正确的结论是()A．弹簧的劲度系数为1N/mB．弹簧的劲度系数为100N/mC．弹簧的原长为6cmD．弹簧伸长2cm时，弹力的大小为4N答案BC解析弹簧处于原长时，弹簧的弹力为零，由此可知弹簧原长为6cm；由题图图像可知，当弹簧伸长2cm时，弹力的大小为2N，根据胡克定律可得弹簧的劲度系数为100N/m，选项B、C正确，A、D错误．4.如图所示，一根弹性杆的一端固定在倾角为30°的斜面上，另一端固定一个重2N的小球，小球处于静止状态时，弹性杆对小球的弹力()A．大小为2N，方向平行于斜面向上B．大小为2N，方向竖直向上C．大小为2N，方向垂直于斜面向上D．由于未知形变大小，故无法确定弹力的方向和大小答案B解析对小球进行受力分析可知，小球受重力、弹力的作用而处于静止状态，根据二力平衡条件可知，小球所受的弹力大小等于重力大小，即F＝G＝2N，方向竖直向上，选项B正确．5.一根轻质弹簧一端固定，用大小为F1的力压弹簧的另一端，平衡时长度为l1；改用大小为F2的力拉弹簧，平衡时长度为l2.弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内，该弹簧的劲度系数为()A.eq\f(F2－F1,l2－l1)B.eq\f(F2＋F1,l2＋l1)C.