高中物理備課資料卡 重心與穩(wěn)定素材

1、高中物理備課資料卡 重心與穩(wěn)定素材（滬科J）課程標(biāo)準(zhǔn)的要求（滬科J）*通過實驗認(rèn)識滑動摩擦、靜摩擦的規(guī)律，能用動摩擦因數(shù)計算摩擦力。（滬科J）*知道常見的形變，通過實驗了解物體的彈性，知道胡克定律。（滬科J）*理解牛頓運(yùn)動定律，用牛頓運(yùn)動定律解釋生活中的有關(guān)問題。(注：對于(課程標(biāo)準(zhǔn))中這一條，在本章中僅涉及牛頓第三定律。)【三維目標(biāo)】(魯科J)5知道重心與穩(wěn)定的關(guān)系。(魯科J)6運(yùn)用重力、重心解決實際問題，體會重力的奇妙?！局R與能力】【過程與方法】【情感態(tài)度與價值觀】(魯科J)體驗各種力現(xiàn)象的奇妙，保持對力現(xiàn)象的探索熱情。體會各種力在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，發(fā)展將知識服務(wù)于人類的愿望?！窘虒W(xué)建

2、議】(魯科J)重力的方向有很多應(yīng)用?！懊阅銓嶒炇摇敝械膬A角儀可讓學(xué)生在課后制作，在課堂上展示各自的傾角儀，用來檢查物體的水乎或傾斜程度，既可激發(fā)學(xué)生的興趣，又可培養(yǎng)解決動手實踐的能力。不同學(xué)生的能力傾向、個性特長是不一樣的，有的學(xué)生數(shù)理邏輯比較強(qiáng)。有的學(xué)生動手能力比較強(qiáng)，教學(xué)中要善于創(chuàng)造各種機(jī)會，讓不同的學(xué)生都有表現(xiàn)的機(jī)會，成功的體驗對于建立自信是很重要的。(魯科J)重心是學(xué)生在生活、生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的問題。教材首先通過實際的生產(chǎn)、生活提出問題，然后通過與質(zhì)點(diǎn)概念類比，以等效的思想引出了重心概念。教學(xué)時應(yīng)注意思想方法的滲透。對于形狀不規(guī)則、質(zhì)量分布不均勻的物體的重心，可讓學(xué)生自帶材料在課堂上測量

3、。同時，也可鼓勵學(xué)生尋找確定重心的其他方法，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神。(魯科J)重心位置改變的現(xiàn)象很多，教材聯(lián)系了公共汽車、吊車、飛機(jī)等方面的例子，教學(xué)時可鼓勵學(xué)生聯(lián)系實際多舉一些生活、生產(chǎn)中的例子。(魯科J)重心與穩(wěn)定是生活、生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的又一問題。為了增加穩(wěn)定程度，可降低重心，也可擴(kuò)大支持面積，教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活、生產(chǎn)列舉一些增加穩(wěn)定程度的例子。同時還應(yīng)讓學(xué)生知道，穩(wěn)定程度小也有用處?！靶畔⒋啊敝屑乘康闹匦母哂诶K的懸點(diǎn)時，穩(wěn)定程度就會變小，有利于汲水、控制水量。引導(dǎo)學(xué)生不僅關(guān)注重心的運(yùn)用，還應(yīng)體會我國古代勞動人民的智慧?！局R點(diǎn)講解】(魯科K)重心與穩(wěn)定(魯科K)在實踐中，人們已經(jīng)注意到重

4、心改變帶來的影響。例如，空中小姐經(jīng)常要求乘客按登機(jī)號碼入座，以免客人都集中在某一區(qū)域而改變飛機(jī)重心位置，導(dǎo)致飛機(jī)失衡。跳高運(yùn)動員則要考慮怎樣才能使身體重心升高的極限值與橫桿高度接近。 (魯科K)重心的高低會影響物體的穩(wěn)定。高大的建筑物通常建造成上小下大；裝運(yùn)貨物時，總是把重的物品放在下面，輕的物品放在上面，這些都是為了降低重心，增大穩(wěn)定程度。在馬戲、雜技、芭蕾舞等的設(shè)計與表演中，要充分考慮重心的位置。例如，雜技團(tuán)的“走鋼絲”表演，讓人瞠目結(jié)舌，驚嘆不已。只要按照圖415中的方法，演員就能泰然自若地在鋼絲上走來走去。想想這是為什么。行駛中的車輛保持穩(wěn)定至關(guān)重要。那么，一輛車最多能傾斜到什么程度車

5、不會翻倒呢(圖416)?這里以一塊磚為例進(jìn)行討論。把一塊磚豎立在地面上，然后逐漸繞著一條棱傾斜，重力作用線將向外移，當(dāng)重力作用線落到它的支持面外時，磚塊將傾倒(圖417)。類似地，當(dāng)汽車的重力作用線落到輪子的支持面之外時，汽車將傾倒。穩(wěn)度(魯科J)穩(wěn)度是指物體平衡穩(wěn)定的程度，它與支面面積的大小有關(guān)，與重心的高低有關(guān)，下面的實驗?zāi)軌蚋鼮橹庇^地說明這個問題。(魯科J)實驗1：取四個抽掉內(nèi)盒的火柴盒盒套，將其中一個在長13處橫截成兩部分，分別把它們與另外兩個盒套用紙貼接成兩個長度不等的新盒套。它們與剩下的一個分別用1、2、3來區(qū)別。(魯科J)在一塊木板上的三處，每處用兩根剪短了的大頭針并排釘入，以露

6、出針的大頭少許為宜。將1、2、3盒套的一邊緊靠大頭針豎直放在木板上(圖45)。當(dāng)慢慢抬高木板的左端時，可見到1先繞大頭針頭傾倒，2其次，3最后。說明支承面相同，重心高度不同的物體，重心越低穩(wěn)定性越好。(魯科J)如果將1、2、3平放(圖46)，再慢慢抬高木板左端，則可看到3先傾倒，2其次，1最后。這說明重心高度一樣，支面面積不同的物體，支面面積越大，穩(wěn)定性越好。(魯科J)實驗2：再取三個空火柴盒1、2、3，分別在它的盒面對角線交點(diǎn)及交點(diǎn)之上、之下三處垂直盒面戳孔，穿進(jìn)一根直鐵絲(圖47)。分別轉(zhuǎn)動這三個盒，可看到1在轉(zhuǎn)動時重心位置不變，是隨遇平衡；2重心在支點(diǎn)之下。轉(zhuǎn)動時重心便要升高，是穩(wěn)定平衡

7、；3重心在支點(diǎn)之上，稍有觸動，重心便要降低，是不穩(wěn)定平衡。（滬科K）重心的概念及其直義 （滬科K） 一個物體各部分受到的重力，從效果上看，可以把它們集中作用于一點(diǎn)，這一點(diǎn)稱為重心。均勻、規(guī)則的物體，重心就在其幾何中心。如均勻球體的重心位于球心，均勻三角形薄板的重心位干三中線的交點(diǎn)(圖3-48)。 （滬科K）重心的位置可以在物體內(nèi)部，也可以在物體外部。如一根均質(zhì)直鐵絲的重心位置在其中點(diǎn)O。把它彎成一個圓環(huán)或直角形狀，重心位置就在圓心O1或空間某點(diǎn)O2了 (圖3-49)。（滬科K）引入重心概念后，許多問題中可以把一個巨大的物體，簡化為一個點(diǎn)(圖3- 50)?！酒渌?xí)題】(魯科J)4請你側(cè)身將一只手

8、臂與腿緊緊地靠墻站著，身體不能向墻的一面移動，保持原來直立的姿勢不變。將離墻遠(yuǎn)的一只腳提起，讓靠墻的一只腳獨(dú)立，試試看，能站立嗎?為什么呢?(魯科J)答案：人能夠站立，是因為重力作用線通過了兩腳圍成的支持面，即圖48中虛線所圍的面積。在單腳站立時，支持面縮小到只有一只腳掌面的大小，通過重心的重力作用線只能落在支面之外，所以不能站立。只有在改變原來的姿勢后，讓它落在支持面內(nèi)才行，而改變姿勢是這里所不允許的，因此便不能站立了。(魯科J)5請你挺胸直背，雙腿自垂地坐在椅子上，不要改變姿勢，站起來。能站起來嗎?為什么怎樣也站不起來?請你改變胸背與腿的姿勢，站起來。多做幾次，悟出站起來的道理。(魯科J)

9、答案：人坐著站起來時，必須把胸部向前傾或者把雙腳向后移，讓作用于重心的重力作用線通過兩腳所圍的支持面然后才能站立，否則將無法站立?！净A(chǔ)探究活動】(魯科J)實驗1：取四個抽掉內(nèi)盒的火柴盒盒套，將其中一個在長13處橫截成兩部分，分別把它們與另外兩個盒套用紙貼接成兩個長度不等的新盒套。它們與剩下的一個分別用1、2、3來區(qū)別。(魯科J)在一塊木板上的三處，每處用兩根剪短了的大頭針并排釘入，以露出針的大頭少許為宜。將1、2、3盒套的一邊緊靠大頭針豎直放在木板上(圖45)。當(dāng)慢慢抬高木板的左端時，可見到1先繞大頭針頭傾倒，2其次，3最后。說明支承面相同，重心高度不同的物體，重心越低穩(wěn)定性越好。(魯科J)

10、如果將1、2、3平放(圖46)，再慢慢抬高木板左端，則可看到3先傾倒，2其次，1最后。這說明重心高度一樣，支面面積不同的物體，支面面積越大，穩(wěn)定性越好。(魯科J)實驗2：再取三個空火柴盒1、2、3，分別在它的盒面對角線交點(diǎn)及交點(diǎn)之上、之下三處垂直盒面戳孔，穿進(jìn)一根直鐵絲(圖47)。分別轉(zhuǎn)動這三個盒，可看到1在轉(zhuǎn)動時重心位置不變，是隨遇平衡；2重心在支點(diǎn)之下。轉(zhuǎn)動時重心便要升高，是穩(wěn)定平衡；3重心在支點(diǎn)之上，稍有觸動，重心便要降低，是不穩(wěn)定平衡?！酒渌骄炕顒印?魯科K)迷你實驗室(魯科K)自制傾角儀 在一塊矩形木板上貼上圓形白紙(暫時不要粘牢)，將圓周劃分為360并標(biāo)上刻度，在圓心處釘一小鐵釘

11、做軸(圖410)。 用鐵皮剪成指針，另用鐵皮做成一小鐵管，將小鐵管焊在指針的中間部位，將小鋼珠焊在指針的尾端。將小鐵管套在小鐵釘上，使鋼珠可以帶著指針轉(zhuǎn)動。 將做好的傾角儀放在標(biāo)準(zhǔn)的水平臺上，指針在鋼珠的作用下尖端朝上。轉(zhuǎn)動白紙刻度，使指針示數(shù)為零，把紙粘牢。用自制的傾角儀可檢測平面是否水平或平面的傾斜角度。 (魯科J)重力的方向有很多應(yīng)用?！懊阅銓嶒炇摇敝械膬A角儀可讓學(xué)生在課后制作，在課堂上展示各自的傾角儀，用來檢查物體的水乎或傾斜程度，既可激發(fā)學(xué)生的興趣，又可培養(yǎng)解決動手實踐的能力。不同學(xué)生的能力傾向、個性特長是不一樣的，有的學(xué)生數(shù)理邏輯比較強(qiáng)。有的學(xué)生動手能力比較強(qiáng)，教學(xué)中要善于創(chuàng)造各種

12、機(jī)會，讓不同的學(xué)生都有表現(xiàn)的機(jī)會，成功的體驗對于建立自信是很重要的。(魯科J) “迷你實驗室”中，傾角儀的制作方法教材已介紹得很清楚，此處不再贅述。由于制作需要一定時間，可讓學(xué)生在課后自備材料，自行設(shè)計制作，用來測一測物體的傾斜程度，比一比誰的結(jié)果更精確?！举Y料鏈接】(魯科K)信息窗將受力大小轉(zhuǎn)換為電信號壓敏電阻在被拉緊或擠壓時電阻值會發(fā)生變化。把受力大小轉(zhuǎn)換成電信號，這是壓力傳感器的基本原理之一。例如，當(dāng)重物放在某類電子秤上時，電子秤內(nèi)的壓敏電阻變化，相應(yīng)電流也隨之變化。通過一定轉(zhuǎn)換，我們便可以直接從電子秤顯示器中讀出物重了。(魯科J) “信息窗”通過一個具體例子簡要地說明了傳感器的原理之一

13、。(魯科K)信息窗古代汲水瓶 在西安半坡文化遺址，出土了一種新石器時代(距今6000年)使用的汲水瓶，它的特點(diǎn)是底尖、腹大、口小，系繩的耳環(huán)設(shè)在瓶腹稍靠下的部位(圖418)。 當(dāng)汲水瓶空著時，由于瓶的重心高于繩的懸點(diǎn)，它就會傾倒；把它放到水里，水就會自動流進(jìn)去。 當(dāng)瓶中汲入適量的水(達(dá)到瓶容積的6070)時，瓶的重心降到繩的懸點(diǎn)以下，一提繩，汲水瓶就會直立著被提上來。 如果瓶中的水太滿，瓶的重心又高于繩的懸點(diǎn)，瓶會自動傾倒，將多余的水倒出。這種汲水瓶巧妙地通過重心變換，使得汲水方便、省力，又能控制汲水量，充分體現(xiàn)了我國古代勞動人民的智慧。跳高與重心(魯科J)美國科學(xué)家在哥倫比亞大學(xué)做了一個試驗

14、，他們請了270名男同學(xué)做立定跳高測驗，結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)人的彈跳力基本上相同。一次立定彈跳只能使他們的重心升高0.51 m左右。即使最優(yōu)秀的運(yùn)動員也只能使自己的重心比一般人多升高0.2 m左右，也就是0.7米左右，因此人的彈跳力是差不多的。(魯科J)從跳高運(yùn)動史看，100年內(nèi)跳高的姿勢發(fā)生了五次變革：跨越式、剪式、滾式、俯臥式、背越式。每改革一次姿勢，跳高的世界紀(jì)錄就提高一次。1.70 m的第一個世界紀(jì)錄是用跨越式創(chuàng)造的；第二屆奧運(yùn)會上，巴克斯捷爾用剪式越過1.90 m的橫桿；1912年美國運(yùn)動員霍林用滾式創(chuàng)造了2.01 m的好成績；29年以后美國運(yùn)動員用俯臥式以2.11 m的成績創(chuàng)造-r新的世界

15、紀(jì)錄。現(xiàn)代新的姿勢是背越式，背越式出現(xiàn)以后，跳高的成績就扶搖直上。1984年我國運(yùn)動員朱建華創(chuàng)造的世界紀(jì)錄是2.30 m。跳高的世界紀(jì)錄還在不斷被刷新。(魯科J)看來，跳高姿勢的變化是不斷刷新跳高成績的關(guān)鍵之一，但是在姿勢的變化中包含著什么物理原理呢?(魯科J)從圖43中看到，采用不同姿勢過桿的運(yùn)動員在越過橫桿的時候。他們的重心距橫桿的距離不一樣?？缭绞竭^桿的時候，人體的重心必須在橫桿上面幾十厘米，即使是優(yōu)秀的運(yùn)動員也只有0.3 m左右。(魯科J)我們知道，人體在運(yùn)動時，重心在身體中的位蹬往往也會隨著運(yùn)動而改變。(魯科J)假如某個運(yùn)動員身高是1.80 m，他直立的時候，重心距地面大約1.09

16、m，立定跳高可以達(dá)到0.7 m，如果用跨越式過桿，重心在橫桿上0.3 m。這樣他躍過橫桿的高度大約是109+070.3=1.49 m。所以要達(dá)到跨越式創(chuàng)造的世界紀(jì)錄1.70 m是很不容易的。(魯科J)如果這個運(yùn)動員換一個姿勢，用俯臥式或背越式這兩種姿勢過桿的時候，重心十分接近橫桿，那么他的跳高成績提高到1.70 m是不太費(fèi)力的，但是要越過2 m以上還有困難。(魯科J)能否讓人體的重心從橫桿的下面鉆過去呢?實際上，背越式跳高就是這樣。(魯科J)運(yùn)動員起跳時，身體側(cè)轉(zhuǎn)，背對橫桿，用力向上擺動腿和雙臂以增加蹬地的力量，當(dāng)人體騰空過桿的時候，運(yùn)動員用伸直雙腿的辦法保持自己的重心較低，腰向后大幅度彎曲，

17、頭和雙肩先越過橫桿，再迅速收腿，這時候雙肩和背部的代替了起跳時的雙腿，繼續(xù)保持較低的人體重心，所以優(yōu)秀運(yùn)動員越過橫桿時，重心始終保持在橫桿下面。優(yōu)秀的運(yùn)動員可以使自己的重心在橫桿下面0.2 m左右。重新計算一下，就是1.09+0.7+0.2=1.99 m，在彈跳力不變的情況下運(yùn)動員的成績輕易地就提高了許多。(魯科J)以上的分析計算完全是按照立定跳高的要求算的。實際上，運(yùn)動員的助跑和起跳時的擺腿等動作可以把重心提得比平均值0.51 m更高，所以世界紀(jì)錄進(jìn)一步刷新是完全可能的。（滬科J）重力和引力 （滬科J） 重力是由引力產(chǎn)生的。重力和引力的關(guān)系推導(dǎo)如下：（滬科J）如圖t-3-23所示，地面上質(zhì)量

18、為m的物體，它隨地球繞地軸轉(zhuǎn)動所需的向心力Fn和重力G都是引力F的分力，三者的關(guān)系為F=Fn+G(矢量和)（滬科J）應(yīng)用余弦定理可得三者的數(shù)量關(guān)系：G2=F2+F2n-2FFncos（滬科J）設(shè)地球的半徑為R，自轉(zhuǎn)的角速度為，物體m所處的緯度為，則（滬科J）已知R=64 106m，=73 10-5rad/s，G0=667 10-11Nm2/kg2，M=61024kg，代入(2)式可算出Fn/F的最大值約35 10-3。因此(1)式中(Fn/F)2一項可略去。對方括號進(jìn)行二項式展開并略去高次項，得G= 以上得出重力和引力在數(shù)值上的近似關(guān)系。由這個關(guān)系式可以知道重力隨地域變化的情況： (1)重力隨緯度而變化。地球是個橢球體，赤道處半徑大，兩極處半徑小，或者說R是隨的增大