2019-2020年高中物理第4章相互作用第2節(jié)形變與彈力教學(xué)案魯科版必修1.doc
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2019-2020年高中物理第4章相互作用第2節(jié)形變與彈力教學(xué)案魯科版必修1 1.形變分為兩種:一是彈性形變,物體在外力作用下發(fā)生形變后能恢復(fù)原狀;二是范性形變,物體發(fā)生形變后不能恢復(fù)原狀。 2.彈力發(fā)生在兩個(gè)相互接觸且有彈性形變的物體間,其大小由彈性形變程度決定,其方向始終跟物體形變方向相反。 3.對(duì)于彈簧來說,在彈性限度內(nèi)F=kx,k是勁度系數(shù),由彈簧自身決定,x是彈簧伸長(zhǎng)(或縮短)的長(zhǎng)度。 一、形變 1.形變 物體發(fā)生的伸長(zhǎng)、縮短、彎曲等變化稱為形變。 2.彈性體及彈性形變 (1)彈性體是撤去外力后能恢復(fù)原來形狀的物體。 (2)彈性形變指彈性體發(fā)生的形變。 3.范性形變 物體發(fā)生形變后不能恢復(fù)原來的形狀,這種形變叫范性形變。 4.彈性限度 當(dāng)彈性體形變達(dá)到某一值時(shí),即使撤去外力,物體也不能恢復(fù)原狀,這個(gè)值叫彈性限度。 二、彈力及彈力的應(yīng)用 1.定義 物體發(fā)生彈性形變時(shí),由于要恢復(fù)原狀,會(huì)對(duì)與它接觸的物體產(chǎn)生力的作用,這種力叫彈力。 2.方向 彈力的方向總是與物體形變的趨向相反,以使物體恢復(fù)原狀。 3.彈力的應(yīng)用 (1)拉伸或壓縮彈簧,必須克服彈簧的彈力做功,所做的功以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在彈簧中。 (2)彈簧具有彈性,不但可以緩沖減震,而且有自動(dòng)復(fù)位的作用。 三、彈簧的伸長(zhǎng)量與彈力的關(guān)系 1.胡克定律 (1)內(nèi)容:在彈性限度內(nèi),彈性體(如彈簧)彈力的大小與彈性體伸長(zhǎng)(或縮短)的長(zhǎng)度成正比。 (2)公式:F=kx。 (3)適用條件:在彈簧的彈性限度內(nèi)。 2.勁度系數(shù) 是一個(gè)有單位的物理量,單位為N/m。彈簧的勁度系數(shù)為1 N/m的物理意義:彈簧伸長(zhǎng)或縮短1 m時(shí)產(chǎn)生的彈力大小為1 N。 1.自主思考——判一判 (1)使物體發(fā)生形變的外力撤去后,物體一定能夠恢復(fù)原來狀態(tài)。() (2)只要兩個(gè)物體相互接觸,兩個(gè)物體之間一定能產(chǎn)生彈力。() (3)只要兩個(gè)物體發(fā)生了形變,兩個(gè)物體之間一定能產(chǎn)生彈力。() (4)彈力的大小總是與其形變量成正比。() (5)兩物體之間有彈力作用時(shí),兩物體一定接觸。(√) (6)由F =kx可知k=,故勁度系數(shù)k與外力F成正比,與形變量x成反比。() 2.合作探究——議一議 (1)如圖421所示的形變中,哪些發(fā)生的是彈性形變? 圖421 提示:甲、乙、丙。 (2)對(duì)于同一只彈簧,被拉得越長(zhǎng),彈簧的彈力就越大。那么彈簧的彈力大小是否與其長(zhǎng)度成正比呢? 提示:根據(jù)胡克定律,彈簧彈力大小與彈簧長(zhǎng)度變化量的關(guān)系為F=kx。由此可推出彈簧伸長(zhǎng)時(shí)彈簧長(zhǎng)度l與彈力大小的關(guān)系為F=k(l-l0),其中l(wèi)0為彈簧原長(zhǎng),因此彈簧伸長(zhǎng)時(shí),彈力大小與(l-l0)成正比,而不是與彈簧長(zhǎng)度l成正比。 (3)相同材料的彈簧其勁度相同嗎? 提示:不一定相同。彈簧的勁度與材料、形狀、長(zhǎng)度、材料的橫截面積等因素均有關(guān)系。 彈力有無及方向的判斷 1.彈力產(chǎn)生的過程 2.彈力產(chǎn)生的兩個(gè)條件 (1)兩物體直接接觸。 (2)互相接觸的物體發(fā)生彈性形變。 3.彈力有無及方向的判斷 (1)判斷彈力有無的三種方法: ①直接法。 對(duì)于形變比較明顯的情況,可以根據(jù)彈力產(chǎn)生的條件判斷: a.物體間相互接觸; b.發(fā)生彈性形變。 兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足才有彈力產(chǎn)生。 ②假設(shè)法(也叫去物看物法)。 要判斷物體在某一接觸位置是否受彈力作用,可假設(shè)將在此處與該物體接觸的物體去掉,看該物體是否在該位置保持原來的狀態(tài),若能保持原來的狀態(tài),則說明物體間無彈力作用;否則有彈力作用。 例:如圖422所示,一球放在光滑水平面AC上,并和AB光滑面接觸,球靜止,分析球所受的彈力。假設(shè)去掉AB面,球仍保持原來的靜止?fàn)顟B(tài),可判斷出在球與AB面的接觸處沒有彈力;假設(shè)去掉AC面,球?qū)⑾蛳逻\(yùn)動(dòng),則在與AC面的接觸處球受到彈力。 圖422 ③狀態(tài)法。 看除了要研究的彈力外,物體所受的其他作用力與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否滿足相應(yīng)的規(guī)律(目前主要應(yīng)用二力平衡的規(guī)律),若滿足,則無彈力存在; 若不滿足,則有彈力存在。 (2)判斷彈力方向的步驟 →→ [典例] 如圖423所示,各圖中A是否受彈力作用?若有,指明彈力方向,并作彈力的示意圖。(圖中各物體均靜止) 圖423 [解析] 甲圖中繩對(duì)A的彈力沿繩的方向指向繩收縮的方向,B對(duì)A的彈力沿兩球球心連線指向A。 乙圖中O點(diǎn)彈力的方向過點(diǎn)O與桿垂直,O′點(diǎn)彈力方向豎直向上。各圖中A所受彈力的示意圖如圖所示。 [答案] 見解析 (1)判斷物體所受的彈力,應(yīng)根據(jù)彈力產(chǎn)生的條件進(jìn)行判斷,有幾處接觸,就可能有幾個(gè)彈力,分析接觸處有無形變,有接觸并不一定有彈力。 (2)幾種常見接觸方式的彈力方向 面與面 點(diǎn)與面 點(diǎn)與點(diǎn) 彈力方向 垂直于公共接觸面指向受力物體 過點(diǎn)垂直于面指向受力物體 垂直于公切面指向受力物體 圖示 (3)輕繩、輕桿、輕彈簧的彈力方向 輕繩 輕桿 輕彈簧 彈力方向 沿繩指向繩收縮的方向 可沿桿的方向 可不沿桿的方向 與彈簧形變的方向相反 圖示 1.下列關(guān)于彈力的說法中正確的是( ) A.兩物體相互接觸,就一定會(huì)產(chǎn)生相互作用的彈力 B.兩物體不接觸,就一定沒有相互作用的彈力 C.笨重的金屬塊放在木板上,木板會(huì)發(fā)生形變對(duì)金屬施加彈力,而金屬不會(huì)發(fā)生形變,但因其自身重力會(huì)對(duì)木板施加壓力 D.運(yùn)動(dòng)的小球去擠壓彈簧,彈簧會(huì)發(fā)生形變產(chǎn)生彈力,小球雖不會(huì)發(fā)生形變,但由于運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)彈簧產(chǎn)生壓力 解析:選B 彈力的產(chǎn)生條件是兩物體必須直接接觸,而且物體要發(fā)生彈性形變,故B正確,A錯(cuò)誤。兩物體間發(fā)生彈力作用時(shí),兩物體都會(huì)發(fā)生彈性形變,給對(duì)方施加彈力作用,故C、D均錯(cuò)誤。 2. (多選)如圖424所示,一物體A靜止在斜面上,關(guān)于彈力,下列說法正確的是( ) 圖424 A.斜面對(duì)A的支持力豎直向上 B.A對(duì)斜面的壓力豎直向下 C.斜面對(duì)A的支持力垂直斜面向上 D.A對(duì)斜面的壓力垂直斜面向下 解析:選CD 斜面對(duì)A的支持力是彈力,與接觸面垂直,故垂直斜面向上,故A錯(cuò)誤,C正確;A對(duì)斜面的壓力是彈力,與接觸面垂直,故垂直斜面向下,故B錯(cuò)誤,D正確。 3.畫出圖425中球A和球B所受重力、彈力的示意圖。(各接觸面均光滑,各球均靜止) 圖425 解析:先畫重力,再分析彈力,注意彈力的有無、方向,再畫出彈力。 球A和球B所受重力、彈力的示意圖如圖所示。 答案:見解析圖 彈力大小的計(jì)算 1.對(duì)胡克定律的理解 (1)彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系圖像(如圖426)。 圖426 (2)應(yīng)注意的四個(gè)問題。 ①成立條件:在彈性限度內(nèi)。 ②彈簧的形變量x:彈簧伸長(zhǎng)(或縮短)的長(zhǎng)度,不是彈簧的原長(zhǎng),更不是彈簧的總長(zhǎng)。 ③勁度系數(shù)k:反映了彈簧的“軟”“硬”程度,由彈簧本身的性質(zhì)決定。 ④推論式:ΔF=kΔx,式中ΔF、Δx分別表示彈力的變化量和形變的變化量。 2.一般彈力的計(jì)算 對(duì)于除彈簧外的其他彈性體的彈力大小的計(jì)算,一般要借助物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所遵循的物理規(guī)律求解。比如懸掛在豎直細(xì)繩上的物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),物體受到二力作用,即:繩向上的拉力和豎直向下的重力,根據(jù)二力平衡,可知繩的拉力大小等于物體重力的大小。 [典例] 如圖427所示,一根彈簧的自由端B在未懸掛重物時(shí),正對(duì)著刻度尺的零刻度,掛上100 N重物時(shí)正對(duì)著刻度20。 圖427 (1)當(dāng)彈簧分別掛上50 N和150 N重物時(shí),自由端所對(duì)刻度應(yīng)是多少? (2)若自由端所對(duì)刻度是18,則彈簧下端懸掛了多重的重物? [思路點(diǎn)撥] 本題考查胡克定律的實(shí)際應(yīng)用。彈簧發(fā)生彈性形變時(shí),彈簧彈力的大小與彈簧的形變量成正比,即F=kx。 [解析] (1)設(shè)掛50 N和150 N重物時(shí),自由端所對(duì)刻度分別為x1、x2,由胡克定律得=,= 解得x1=10,x2=30 (2)設(shè)自由端所對(duì)刻度為18時(shí),所掛重物的重力為G。 由胡克定律得= 解得G=90 N。 [答案] (1)10 30 (2)90 N 只有彈簧及橡皮筋類的彈力遵循胡克定律,在彈簧處于伸長(zhǎng)狀態(tài)或壓縮狀態(tài)時(shí)均有彈力作用,所以計(jì)算彈簧的彈力時(shí),應(yīng)注意區(qū)別這兩種狀態(tài)下彈簧的長(zhǎng)度、彈簧的原長(zhǎng)、彈簧的形變量等物理量?! ? 1.一輕彈簧原長(zhǎng)為10 cm,在它的下端掛一個(gè)重為4 N的物體時(shí),彈簧的長(zhǎng)度為12 cm,若在它的下端掛一個(gè)重為8 N的物體時(shí),彈簧的長(zhǎng)度應(yīng)為( ) A.24 cm B.20 cm C.15 cm D.14 cm 解析:選D 彈簧的原長(zhǎng)l0=10 cm。當(dāng)彈簧下端掛重物而靜止時(shí),彈簧的彈力等于重物的重力。當(dāng)掛4 N重物時(shí),彈簧的彈力F1=4 N,彈簧的長(zhǎng)度l1=12 cm,則形變量x1=l1-l0=2 cm;當(dāng)掛8 N重物時(shí),F(xiàn)2=8 N,設(shè)彈簧的長(zhǎng)度為l2,則x2=l2-l0。由胡克定律F=kx可知,=,即=,得=,解得l2=14 cm。 2.如圖428所示,重為20 N的物體懸掛在彈簧的下端時(shí),彈簧伸長(zhǎng)了4 cm?,F(xiàn)換用另一個(gè)重為40 N的物體懸掛在彈簧的下端(形變?nèi)栽趶椥韵薅葍?nèi)),這時(shí)彈簧的彈力大小、勁度系數(shù)分別是( ) 圖428 A.20 N,500 N/m B.20 N,1 000 N/m C.40 N,500 N/m D.40 N,1 000 N/m 解析:選C 重為20 N的物體懸掛在彈簧的下端時(shí),根據(jù)物體平衡條件可知,彈簧的彈力F=20 N,彈簧伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度x=4 cm=410-2m。根據(jù)胡克定律F=kx得:k= N/m=500 N/m,當(dāng)重為40 N的物體懸掛在彈簧的下端時(shí),彈簧的彈力F=40 N,勁度系數(shù)不變,故C正確。 2.一根彈簧在50 N力的作用下,長(zhǎng)度為10 cm,若所受的力再增加4 N,則長(zhǎng)度變成10.4 cm。設(shè)彈簧的形變均在彈性限度內(nèi),求彈簧的原長(zhǎng)l0和彈簧的勁度系數(shù)k。 解析:設(shè)原長(zhǎng)為l0,勁度系數(shù)為k,則由胡克定律可知 F1=k(l1-l0)?、? F2=k(l2-l0)?、? 將F1=50 N,l1=10 cm,F(xiàn)2=54 N,l2=10.4 cm代入①②式可得k=1 000 N/m l0=5 cm。 答案:l0=5 cm k=1 000 N/m 實(shí)驗(yàn):探究彈力與彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系 1.實(shí)驗(yàn)原理 如圖429所示,在彈簧下端懸掛鉤碼時(shí)彈簧會(huì)伸長(zhǎng),平衡時(shí)彈簧產(chǎn)生的彈力與所掛鉤碼的重力大小相等。 圖429 2.實(shí)驗(yàn)步驟 (1)將彈簧的一端掛在鐵架臺(tái)上,讓其自然下垂,用刻度尺測(cè)出彈簧自然伸長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)度l0,即原長(zhǎng)。 (2)如圖4210所示,在彈簧下端掛上質(zhì)量為m1的鉤碼,量出此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度l1,記錄m1和l1,求出彈簧的伸長(zhǎng)量x1,并填入自己設(shè)計(jì)的表格中。 圖4210 (3)改變所掛鉤碼的質(zhì)量,量出對(duì)應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度,記錄m2、m3、…和相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度l2、l3、…求出每次彈簧的伸長(zhǎng)量x2、x3、…并填入表格中。 鉤碼質(zhì)量 長(zhǎng)度 伸長(zhǎng)量x 彈力F 0 l0 m1 l1 x1=l1-l0 F1 m2 l2 x2=l2-l0 F2 m3 l3 x3=l3-l0 F3 … … … … 3.?dāng)?shù)據(jù)處理 (1)以彈力F(大小等于所掛鉤碼的重力)為縱坐標(biāo),以彈簧的伸長(zhǎng)量x為橫坐標(biāo)作圖,描點(diǎn)后連接各點(diǎn),得出彈力F隨彈簧伸長(zhǎng)量x變化的圖線。 (2)以彈簧的伸長(zhǎng)量為自變量,寫出圖線所代表的函數(shù)。首先嘗試一次函數(shù),如果不行則考慮二次函數(shù)。 (3)得出彈簧伸長(zhǎng)量與彈力之間的定量關(guān)系,解釋函數(shù)表達(dá)式中常數(shù)的物理意義。 4.注意事項(xiàng) (1)所掛鉤碼不要過重,以免超出彈簧彈性限度。 (2)每次所掛鉤碼的質(zhì)量差盡量大一些,從而使坐標(biāo)上描的點(diǎn)盡可能稀,這樣作出的圖線更精確。 (3)測(cè)彈簧長(zhǎng)度時(shí),一定要在彈簧豎直懸掛且處于平衡狀態(tài)時(shí)測(cè)量,以免增大誤差。 (4)記錄數(shù)據(jù)時(shí)要注意彈力及彈簧伸長(zhǎng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及單位。 1.一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組在“探究彈力和彈簧伸長(zhǎng)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,使用兩條不同的輕質(zhì)彈簧a和b,得到彈力與彈簧長(zhǎng)度的圖像如圖4211所示。下列表述正確的是( ) 圖4211 A.a(chǎn)的原長(zhǎng)比b的長(zhǎng) B.a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的大 C.a(chǎn)的勁度系數(shù)比b的小 D.測(cè)得的彈力與彈簧的長(zhǎng)度成正比 解析:選B 由胡克定律知F=k(l-l0),其中k為勁度系數(shù),在Fl圖像上為直線的斜率。由圖像知ka>kb,即a的勁度系數(shù)比b的大,B正確,C錯(cuò)誤。a、b兩圖線與l軸的交點(diǎn)為彈簧的原長(zhǎng),則a、b的原長(zhǎng)分別為l1和l2,從圖像看出l1- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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