高中物理 第4章 第2節(jié) 形變與彈力課件 魯科版必修1.ppt

第2節(jié)形變與彈力 目標(biāo)導(dǎo)航1 知道常見的形變 2 會(huì)用簡單器材顯示微小形變 3 會(huì)判斷彈力的有無及彈力的方向 難點(diǎn) 4 通過實(shí)驗(yàn)探究彈力與形變的關(guān)系 知道胡克定律 重點(diǎn) 1 形變 1 我們把物體發(fā)生的 等變化稱為形變 2 形變產(chǎn)生的原因是物體受到了 作用 3 形變的分類 4 彈性體的形變不能無限增大 當(dāng)彈性體形變達(dá)到某一值時(shí) 即使撤去外力 物體也不能再恢復(fù)原狀 這個(gè)值叫 伸長 縮短 彎曲 外力 彈性形變 范性形變 彈性限度 2 彈力 1 定義 物體發(fā)生 時(shí) 由于要恢復(fù)原狀 會(huì)對(duì)與它 的物體產(chǎn)生力的作用 這種力叫做彈力 通常所說的 都是彈力 彈性形變 接觸 壓力 支持力 拉力 2 彈力的 三要素 大小 胡克定律 在 內(nèi) 彈性體 如彈簧 彈力的大小與彈性體伸長 或縮短 的長度成正比 其表達(dá)式為f kx 比例系數(shù)k叫做彈性體的 簡稱 單位是 x為彈性體的形變量 單位m 方向 彈力的方向總是與物體形變的方向 以恢復(fù)原狀 作用點(diǎn) 在接觸點(diǎn)或面上 彈性限度 勁度系數(shù) 勁度 n m 相反 想一想如圖所示 跳水運(yùn)動(dòng)員受到的跳板的彈力是如何產(chǎn)生的 提示 跳板受到人的壓力發(fā)生形變 跳板要恢復(fù)原狀 對(duì)運(yùn)動(dòng)員產(chǎn)生向上的彈力 3 探究彈簧伸長量與彈力的關(guān)系 1 實(shí)驗(yàn)器材 鐵架臺(tái) 下端帶掛鉤的 鉤碼若干 等 如圖所示 彈簧 刻度尺 2 實(shí)驗(yàn)步驟 將鐵架臺(tái)固定于桌子上 并將彈簧一端系于橫梁上 在彈簧附近豎直固定一 首先讀出 時(shí)彈簧的 在彈簧掛鉤上掛 記下彈簧的 不斷增加鉤碼 記下每增加一個(gè)鉤碼后對(duì)應(yīng)的鉤碼 和彈簧的 4 彈力的應(yīng)用 1 拉伸或壓縮的彈簧可以儲(chǔ)存 2 彈簧具有彈性 可以 刻度尺 未掛鉤碼 長度 一個(gè)鉤碼 總長度 總重 總長度 彈性勢能 緩沖減震 自動(dòng)復(fù)位 學(xué)案導(dǎo)引1 發(fā)生形變的物體一定能產(chǎn)生彈力嗎 2 兩個(gè)相互接觸的物體之間一定存在彈力嗎 1 形變 1 彈性形變和非彈性形變 有些物體在力的作用下發(fā)生形變 當(dāng)力撤去后 物體又恢復(fù)原狀 如彈簧 橡皮條等 這樣的形變叫彈性形變 簡稱形變 如圖甲所示 也有一些物體在發(fā)生形變后 不能恢復(fù)原狀 如一塊橡波泥 用筆桿插一個(gè)洞或用手一壓 泥巴不會(huì)恢復(fù)原狀 如圖乙所示 2 形變產(chǎn)生的原因 因?yàn)槲矬w受到了力的作用 任何物體都要發(fā)生形變 只是有的明顯 有的不明顯而已 2 彈力產(chǎn)生的條件 1 兩物體直接接觸 2 接觸處發(fā)生彈性形變 特別提醒 這兩個(gè)條件是缺一不可的 相互接觸的物體不一定有彈力 但有彈力產(chǎn)生的物體一定相互接觸 3 彈力有無的判斷 1 根據(jù)彈力產(chǎn)生的條件判斷 該方法適用于對(duì)發(fā)生明顯形變的物體的彈力的判斷 如彈簧 橡皮條 海綿等 2 利用假設(shè)法判斷要判斷物體在某一接觸位置是否受彈力作用 可假設(shè)在該處將與物體接觸的另一物體去掉 看物體是否在該位置保持原來的狀態(tài) 從而判斷物體在該處是否受到彈力作用 例如 如圖所示 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) 故在與ac面的接觸處球受到彈力 其方向垂直于ac面向上 3 根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷在圖所示的情況中 若ac面和ab面對(duì)球都有彈力 這兩個(gè)彈力方向分別垂直于ac和ab面 則球所受的力如圖所示 由于ab面對(duì)球的彈力n2使球不能靜止在原來位置 與球處于靜止?fàn)顟B(tài)的實(shí)際情況不相符 故ab面對(duì)球的彈力n2不存在 如圖所示 將一個(gè)鋼球分別放在量杯 口大底小的普通茶杯和三角燒杯中 鋼球在各容器的底部與側(cè)壁相接觸 處于靜止?fàn)顟B(tài) 若鋼球和各容器都是光滑的 各容器的底部均處于水平面內(nèi) 則以下說法中正確的是 a 各容器的側(cè)壁對(duì)鋼球均無彈力作用b 各容器的側(cè)壁對(duì)鋼球均有彈力作用c 量杯的側(cè)壁對(duì)鋼球無彈力作用 其余兩種容器的側(cè)壁對(duì)鋼球均有彈力作用d 口大底小的普通茶杯的側(cè)壁對(duì)鋼球有彈力作用 其余兩種容器的側(cè)壁對(duì)鋼球均無彈力作用 思路點(diǎn)撥 當(dāng)物體的形變情況難以直接作出判斷時(shí) 我們采用了兩種假設(shè)法來分析彈力是否存在 一種是假設(shè)彈力不存在 即解除相關(guān)的接觸面 看看在其他條件不變的情況下 物體是否會(huì)改變?cè)鹊倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài) 另一種是假設(shè)彈力存在 看看物體是否能保持給定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 精講精析 小球與容器的側(cè)壁接觸 是否有彈力作用 就看接觸處是否發(fā)生彈性形變 但微小形變難以察覺 只能借助假設(shè)法判斷 假設(shè)解除容器側(cè)壁與鋼球的接觸 即假設(shè)容器側(cè)壁對(duì)鋼球無彈力作用 則鋼球受重力和容器底部對(duì)它的支持力作用 鋼球仍將處于靜止?fàn)顟B(tài) 故鋼球與容器側(cè)壁雖然接觸但沒有發(fā)生彈性形變 容器側(cè)壁對(duì)鋼球無彈力作用的假設(shè)成立 我們也可以假設(shè)容器側(cè)壁對(duì)鋼球有彈力作用 作出各容器中鋼球的受力示意圖如圖所示 可見三種情況均與鋼球靜止的題設(shè)條件相矛盾 所以原假設(shè)不成立 各容器的側(cè)壁對(duì)鋼球均無彈力作用 因此 本題正確選項(xiàng)為a 答案 a 易誤警示 有些學(xué)生分析本題易犯的錯(cuò)誤是 由于口大底小的普通茶杯的側(cè)壁與鋼球的接觸點(diǎn)位于鋼球下側(cè) 以為側(cè)壁對(duì)鋼球有支持力 由于三角燒杯側(cè)壁與鋼球的接觸點(diǎn)位于鋼球上側(cè) 以為側(cè)壁對(duì)鋼球有壓力 變式訓(xùn)練1 關(guān)于彈力的產(chǎn)生的說法正確的是 a 只要兩物體相接觸就一定產(chǎn)生彈力b 只要兩物體相互吸引就一定有彈力產(chǎn)生c 只要物體發(fā)生形變就一定有彈力產(chǎn)生d 只有發(fā)生彈性形變的物體才會(huì)對(duì)與它接觸的物體產(chǎn)生彈力作用 解析 選d 此題根據(jù)彈力的產(chǎn)生條件判斷 接觸和彈性形變?nèi)币徊豢?選項(xiàng)a c都只有彈力產(chǎn)生條件的一個(gè)方面 而選項(xiàng)b只說有 相互吸引 只能證明有力存在 但不一定是彈力 選項(xiàng)d正確 故選d 學(xué)案導(dǎo)引1 兩物體之間是點(diǎn)和面相接觸時(shí) 彈力的方向如何確定 2 兩個(gè)相互接觸的球面之間存在彈力時(shí) 彈力方向一定沿兩球心的連線嗎 3 繩的彈力方向沿繩收縮的方向 桿的彈力方向一定沿著桿的方向嗎 1 彈力的方向 彈力的方向總是與物體形變的方向相反 1 壓力的方向 垂直于支持面指向被壓的物體 2 支持力的方向 垂直于支持面指向被支持的物體 3 繩對(duì)物體的拉力方向 沿著繩指向繩收縮的方向 2 彈力方向的判斷方法 1 確定產(chǎn)生彈力的物體 2 找出使該物體發(fā)生形變的外力方向 3 確定物體產(chǎn)生的彈力方向 3 常見支持物體的彈力方向 總是垂直于支持面指向被支持的物體 常見的四種情況 1 平面 平面接觸 彈力方向垂直于平面 2 點(diǎn) 平面接觸 彈力方向垂直于平面 3 點(diǎn) 弧面接觸 彈力方向垂直于切面 4 弧面 弧面接觸 彈力方向垂直于切面 特別提醒 1 繩的彈力方向一定沿著繩 而桿既能產(chǎn)生拉力也能產(chǎn)生壓力 其彈力方向不一定沿著桿的方向 2 彈簧既能伸長 也能縮短 即彈簧的彈力既能充當(dāng)拉力 也能充當(dāng)支持力 3 接觸面是球面時(shí) 彈力方向一定沿過接觸點(diǎn)和球心的直線 按下列要求畫出下圖中物體所受彈力的示意圖 1 斜面對(duì)物體的支持力 2 大球球面對(duì)小球的支持力 思路點(diǎn)撥 彈力的方向一定垂直于接觸面 1 若接觸面之一為平面 則彈力一定垂直于該平面 2 若接觸面都為曲面 則彈力一定垂直于過接觸點(diǎn)的切面 精講精析 彈力的方向總是與接觸面垂直 圖 a 中 物體與斜面之間是平面與平面接觸 支持力垂直于接觸面指向被支持物體 圖 b 中 球面與球面接觸 支持力的方向沿兩球心的連線指向小球 答案 如圖所示 變式訓(xùn)練2 如圖所示 各圖中物體a是否受彈力作用 若受 指明彈力方向 并作出彈力的示意圖 圖中各物體均靜止 各接觸面均光滑 解析 圖中a受重力的作用 a對(duì)地面有擠壓 地面發(fā)生形變 對(duì)a有彈力作用 其方向?yàn)榇怪庇诘孛嫦蛏?圖中a與b之間無擠壓 a b之間無彈力作用 但a與地面之間有彈力作用 a受地面彈力方向垂直于地面向上 圖中a與碗上邊緣有擠壓 a在此點(diǎn)受彈力作用 屬于點(diǎn)與面接觸 彈力方向與a桿垂直 指向左上方 a下端與碗底擠壓產(chǎn)生形變 a在此點(diǎn)受彈力作用 屬于點(diǎn)與弧面接觸的情況 彈力垂直于切面方向 答案 各圖中物體a均受彈力作用各圖中a所受彈力的示意圖如圖所示 指向球心 圖中a與b及a與容器壁之間有擠壓 都產(chǎn)生彈力 豎直容器壁給a的彈力與容器壁垂直指向左方 b給a的彈力沿兩球球心連線指向a 學(xué)案導(dǎo)引1 彈簧彈力的大小與什么因素有關(guān) 2 彈簧的勁度系數(shù)與彈簧的彈力成正比 與彈簧的伸長量成反比嗎 1 影響彈力大小的因素在彈性限度內(nèi) 彈力的大小與形變量的大小有關(guān) 對(duì)同一物體來說 形變量越大 產(chǎn)生的彈力越大 2 彈簧彈力與彈簧伸長量 或壓縮量 的關(guān)系 1 胡克定律實(shí)驗(yàn)表明 在彈性限度內(nèi) 彈性體彈力的大小f跟彈性體伸長 或縮短 的長度x成正比 即f kx 其中 k稱為彈性體的勁度系數(shù) 也稱勁度 單位為牛頓每米 符號(hào)為n m 2 彈簧彈力與彈簧伸長量的關(guān)系可用f x圖象表示 如圖所示 3 對(duì)胡克定律的理解 1 適用條件 胡克定律僅適用于在彈性限度內(nèi) 計(jì)算像彈簧 橡皮條等彈性體的彈力 2 x的含義 x是彈性體的形變量 即發(fā)生彈性形變后彈性體的長度跟本身的自然長度比較后伸長 或縮短 的長度 不是彈性體的長度 3 k的含義 k是彈性體的勁度系數(shù) 由彈性體本身的性質(zhì) 如材料 粗細(xì) 長度等 決定 與彈力大小無關(guān) k反映了彈簧的 軟 硬 程度 k越大 彈簧越硬 反之越軟 4 推論式 f k x 式中的 f x分別表示彈力的變化量和彈性體長度的變化量 5 測量值 彈簧測力計(jì) 不計(jì)質(zhì)量 的示數(shù)表示的是彈簧掛鉤端所受的拉力大小 當(dāng)輕質(zhì)彈簧處于靜止時(shí) 彈簧測力計(jì)兩端的兩個(gè)力的大小相等 都等于彈簧秤的示數(shù) 4 彈力的應(yīng)用 1 彈簧能夠儲(chǔ)存能量拉伸或壓縮彈簧 必須克服彈簧的彈力做功 所做的功以彈性勢能的形式儲(chǔ)存在彈簧中 因此彈簧具有儲(chǔ)存能量的能力 2 彈簧具有彈性 可以緩沖減震 例如汽車 火車 自行車上都安裝有彈簧 用來減震 3 彈簧具有自動(dòng)復(fù)位的作用 如自動(dòng)圓珠筆 安全閥等 一輕彈簧原長為10cm 在它的下端掛一個(gè)重為4n的物體時(shí) 彈簧的長度為12cm 若在它的下端掛一個(gè)重為8n的物體時(shí) 彈簧的長度應(yīng)為多少 精講精析 彈簧的原長l0 10cm 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4n重物時(shí) 彈簧的彈力f1 4n 彈簧的長度l1 12cm 則形變量x1 l1 l0 2cm 當(dāng)掛8n重物時(shí) f2 8n 設(shè)彈簧的長度為l2 則x2 l2 l0 答案 14cm 誤區(qū)警示 本題易誤將彈簧的長度看成形變量 胡克定律中 理解公式f kx中各項(xiàng)的意義是解題關(guān)鍵 f kx中x是彈簧的形變量 計(jì)算方法為x l l0 其中l(wèi)0為彈簧的原長 自然長度 l 為彈簧形變后的長度 變式訓(xùn)練 解析 選acd 由胡克定律知 彈簧的彈力與形變量x成正比 對(duì)于確定的彈簧k值不變 它由彈簧本身的因素決定 不隨外力的變化而變化 故選acd 實(shí)驗(yàn)探究胡克定律 經(jīng)典案例 某同學(xué)在做 探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系 的實(shí)驗(yàn)時(shí) 實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示 所用鉤碼每只質(zhì)量是30g 他先測出不掛鉤碼時(shí)彈簧的自然長度 再將5個(gè)鉤碼逐個(gè)掛在彈簧的下端 每次都測出相應(yīng)的彈簧總長度 并將數(shù)據(jù)填在下表中 實(shí)驗(yàn)中彈簧始終未超過彈性限度 取g 10m s2 試根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在如圖所示的坐標(biāo)系中作出彈簧所受彈力與彈簧長度之間的函數(shù)關(guān)系的圖線 則 1 寫出該圖線的數(shù)學(xué)表達(dá)式f n 2 圖線與橫軸的交點(diǎn)的物理意義是 3 該彈簧的勁度系數(shù)k n m 4 圖線延長后與縱軸的交點(diǎn)的物理意義是 解題樣板 描點(diǎn)作圖 得出彈簧彈力與其長度之間的圖象如圖所示 1 由圖象可以得出該圖線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為f 30l 1 8 n 2 圖線與橫軸的交點(diǎn)表示彈簧所受彈力f 0時(shí)的彈簧的長度為6cm 即彈簧的原長 3 圖象的斜率表示彈簧的勁度系數(shù) 即k 30n m 4 圖線延長后與縱軸的交點(diǎn)表示彈簧長度為5cm時(shí)的彈力 此時(shí)彈簧被壓縮了1cm 即表示彈簧被壓縮1cm時(shí)的彈力 答案 1 30l 1 8 2 彈簧的原長為6cm 3 30 4 彈簧被壓縮1cm時(shí)的彈力為0 3n 借題發(fā)揮 在物理學(xué)中經(jīng)常利用圖象處理物理問題 解決這類問題時(shí)必須明確 1 圖線斜率的物理意義 或切線斜率的意義 2 圖線與縱軸 橫軸交點(diǎn)的物理意義 圖象法是處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一種常用方法 材料與彈性如果到工地上看看 就會(huì)發(fā)現(xiàn)有空心電線桿和空心樓板等 為什么這些物體要做成中空的呢 可以用一塊橡皮來說明 在橡皮側(cè)面畫一條線 然后彎曲橡皮 橡皮的長方形側(cè)面變成了扇形 從圖甲可以看出 橡皮的中間那層變化不大 既不伸長也不縮短 根據(jù)胡克定律 中層產(chǎn)生