第三章 1.重力与弹力-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理必修第一册学习手册（人教版2019）

* + , - . / !"012345 ４０　 学 第三章　相互作用———力 １．认识重力、弹力与摩擦力。通过实验， 了解胡克定律。知道滑动摩擦和静摩擦 现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力 的大小。 （１）调查生产生活中所用弹簧的形状及使 用目的。 （２）制作一个简易弹簧测力计，用胡克定 律解释其原理。 ２．通过实验，了解力的合成与分解，知道 矢量和标量。能用共点力的平衡条件分 析生产生活中的问题。 相 互 作 用— — 力 力的基本概念 力的物质性 力的矢量性 力的相互性 力的三要素        力的种类 三种常见的力 重力 弹力{ 摩擦力 力的合成与分解 合力与分力 合成、{ 分解的法则 共点力平衡 共点力的概念{                共点力平衡条件 １．胡克定律：Ｆ＝ｋｘ。 ２．滑动摩擦：Ｆｆ＝μＦＮ。 ３．牛顿第三定律。 ４．平行四边形定则。 ５．共点力平衡条件。 １．本章内容是力学的基础，纵观近几年的 高考题，这部分知识必定出现，大部分 是和其他的知识综合出题，主要涉及摩 擦力和弹簧的弹力。单独出题时往往以 摩擦力为主。所以弹力中的胡克定律的 应用和摩擦力的各类问题是这部分的重 点和难点。 ２．在学习中应弄清摩擦力产生的条件。动、 静摩擦力方向的判断，动、静和最大静 摩擦力大小的计算方法，弄清动、静和 最大静摩擦力的区别和联系，应掌握好 用整体法求摩擦力的方法。 ３．高考对本章的考查呈现出如下特点： （１）选择单个物体或多个物体为研究对象， 进行受力分析，充分考虑各力的产生 条件和应用范围。利用合成法或分解 法对力进行处理，应用平衡条件建立 等式求解。 （２）考查考生对本章知识的理解和掌握情 况的同时，考查考生的情景分析能力， 理解与反思质疑的能力，提取信息进 行物理图景建构的能力，应用基本规 律分析、推理和计算的能力，                                                         科学探 !>#$?@ABCCD 　学 ４１　 究能力。例如：２０２１年广东高考物理 试卷第３题考查曲辕犁省力问题。 （３）考查内容主要体现物理学科的核心素 养中运动与相互作用观念、模型建构 和科学推理要素。 ４．备考中应注意以下几点： （１）本章涉及的知识是高中物理的重要基 础，包含许多思想方法，它的应用几 乎贯穿整个高中物理。所以，不能因 为本章内容独立考查得较少而有所忽 视，恰恰相反，一定要下大力气扎扎 实实地学好本章的知识与方法，形成 解决物理问题的基本思路。在本章复 习过程中多耗一些时间和精力是值 得的。 （２）牢记基础知识，熟练掌握基本方法， 明确基本题型。尽量多地积累不同物 体、不同环境、不同运动形式下的应 用类型及有效解决问题的方法。明确 物体的平衡条件、临界条件，掌握好 函数法、图像法、极限法、隔离法、 整体法等解题方法。利用好力的合成 法、分解法、相似三角形法、矢量三 角形法、正交分解法处理力的矢量 问题。 （３）多观察生活中的有关力或平衡的现象 和实例，有应用物理知识分析探究这 些生活现象或实例的意识。多培养立 体思维分析能力                             。 １．重力与弹力 知识点１　力的概念 １．力的定义：力是物体与物体间的相互 作用。 ２．力的作用效果：使物体发生形变，可以 改变物体的运动状态。 ３．力的分类：力的常见分类有两种，按性 质和效果分。 知识点２　重力 １．重力的定义：由于地球的吸引而使物体受 到的力。 ２．重力大小：Ｇ＝ｍｇ。 ３．重力的方向：竖直向下。 ４．重心：一个物体的各部分都受到重力的 作用，从效果上看，可以认为各部分受 到的重力作用集中于一点，这一点叫作 重心。 知识点３　弹力 １．形变：物体形状或体积的改变叫形变。 ２．弹力的概念：发生弹性形变的物体，由 于要恢复原状，对跟它接触的物体会产 生力的作用，这种力叫作弹力。 ３．弹力的方向：物体产生的弹力 （即施加 的弹力）与物体发生形变的方向相反                            ， * + , - . / !"012345 ４２　 学 与物体恢复形变的方向相同。 ４．弹力的大小：与形变大小有关；对有明 显形变的弹簧、橡皮条等物体，弹力的 大小可以由胡克定律计算。 要点１　对力的概念的理解 １．力的定义：见知识点１。 （１）力的物质性：力不能离开物体而独立 存在。 （２）力的相互性：力总是存在于物体间的， 力的作用总是相互的，一个力总是联 系着两个物体，施力物体同时也是受 力物体。 （３）力的矢量性：力既有大小又有方向。 ２．力的作用效果。 （１）力可以使物体发生形变。 （２）力可以改变物体的运动状态，即力是 产生加速度的原因。 ３．力的图示与力的示意图。 （１）力的图示是用有向线段来表示力，要 体现出力的三要素，即力的大小、方 向、作用点。 （２）力的示意图：在高中阶段，通常画的 是力的示意图，即只画出力的作用点 和方向，表示物体在这个方向上受 了力。 ４．力的分类。 （１）根据力的性质命名：如重力、弹力、 摩擦力、电磁力等。 （２）根据力的效果命名：如拉力、推力、 压力、支持力、动力、阻力等。 　　根据效果命名时，不同名称的力性质可 能相同。如物体在上升时，重力是阻力；下 降时，重力是动力。 例１　甲、乙两拳击运动员竞技，甲一拳击 中乙肩部，观众可认为甲运动员 （的拳头） 是施力物体，乙运动员 （的肩部）是受力 物体，但在甲一拳打空的情况下，下列说法 正确的是 （　　） Ａ．这是一种只有施力物体，没有受力物体 的特殊情况 Ｂ．此时的受力物体是空气 Ｃ．甲的拳头、胳膊与自身躯干构成相互作 用的物体 Ｄ．以上说法都不正确 　　力的作用是相互的，同时存在着施 力物体与受力物体，只要有力产生必然 存在着施力物体与受力物体。 解析：甲运动员击空了，但在其击拳过程 中，其拳头、胳膊与躯干的相互作用系统内 由于相互作用而产生力，故Ｃ正确，Ａ、Ｂ、 Ｄ错误。 答案：Ｃ 　　下列说法正确的是 （　　） Ａ．鸡蛋碰石头，虽然鸡蛋碎了而石头完好 无损，但鸡蛋对石头的作用力和石头对 鸡蛋的作用力是完全相同的 Ｂ．只有能运动的物体才会施力，静止的物 体只能受到力而不会施力 Ｃ．“风吹草低见牛羊”，草受力而弯曲，但 未见到施力物体，说明力可以没有施力 物体 Ｄ．任何一个物体，是受力物体的同时，也                                                                   一定是施力物体 !>#$?@ABCCD 　学 ４３　 要点２　对重力的理解 １．重力的定义：见知识点２。 （１）产生原因：由于地球的吸引。 （２）施力物体：地球。 ２．重力大小。 （１）大小的计算：Ｇ＝ｍｇ，ｇ叫重力加速 度，单位是 ｍ／ｓ２。地面上各处 ｇ值随 纬度的升高而增大，两极最大，赤道 最小；同一纬度处，ｇ随高度增高而 减小。 （２）大小的测量：用弹簧测力计。物体在 弹簧测力计的竖直向上的拉力作用下， 静止或匀速直线运动时重力与拉力大 小相等。 ３．重力的方向：竖直向下。不能说成 “垂 直向下”，也不能说成是 “指向地心”。 ４．重心。 （１）概念：见知识点２。 重心不是重力的真正作用点，是重力 的等效作用点。 （２）重心的位置：重心的位置与物体的形 状和质量分布有关，质量分布均匀、 形状规则的物体的重心在其几何中心。 （３）悬挂法测重心：适用于薄板型的物体， 原理是二力平衡。 （１）重心可以不在物体上。物体的重心 与物体的形状和质量分布都有关 系。重心是一个等效的概念。 （２）有规则几何形状、质量均匀的物 体，其重心在它的几何中心。质量 分布不均匀的物体，其重心随物体 的形状和质量分布的不同而不同。 例２　 （多选）下列关于重力、重心的说法 正确的是 （　　） Ａ．风筝升空后，越升越高，其重心也升高 Ｂ．质量分布均匀、形状规则的物体的重心 一定在物体上 Ｃ．舞蹈演员在做各种优美动作的时候，其 重心位置不断变化 Ｄ．重力的方向总是垂直于地面 　　由于地球的吸引而使物体受到的力 叫重力，其方向竖直向下，其等效作用 点是重心，重心的位置与形状、质量分 布有关，重心可以不在物体上。 解析：实际上，一个物体的各个部分都受到 重力，重心的说法是从宏观上研究重力对物 体的作用效果时而引入的一个概念，重心是 指一个点 （重力的作用点）。由此可知，重 心的具体位置应该由物体的形状和质量分布 情况决定，也就是说只要物体的形状和质量 分布情况不变，重心与物体的空间位置关系 就保持不变。重心可能在物体外，也可能在 物体内。对几何形状规则、质量分布均匀的 物体，重心在物体的几何中心上。物体位置 升高，其重心也跟着升高，根据以上分析可 以判断Ａ、Ｃ是正确的，Ｂ是错误的。重力 的方向是 “竖直向下”的，要注意 “竖直 向下”与 “垂直于地面”并不完全相同， 所以Ｄ的说法是错误的。 答案：ＡＣ 　　下列说法正确的是 （　　） Ａ．重力的方向竖直向下，                                                                   所以地球上一切 * + , - . / !"012345 ４４　 学 物体所受的重力方向相同 Ｂ．物体对水平支持面的压力就是重力 Ｃ．重力就是地球对物体的吸引力，其方向 一定指向地心 Ｄ．物体的重心位置不一定在物体的几何 中心 要点３　对弹力的理解 １．形变：见知识点３。 弹性形变：在外力停止作用后，能够恢 复原状的形变叫弹性形变。课本中提到 的形变，一般都是指弹性形变。 ２．弹力的概念：见知识点３。 （１）弹力产生的原因：发生弹性形变的物 体，要恢复原状。 （２）弹力产生的条件。 ①物体直接相互接触。 ②物体发生弹性形变。 ３．弹力的方向：物体产生的弹力 （即施加 的弹力）与物体发生形变的方向相反， 与物体恢复形变的方向相同。 （１）一般情况：凡是物体的支持力 （或压 力），都是支持物因发生形变而对物体 产生的弹力；支持力 （或压力）的方 向总是垂直于支持面并指向被支持 （或被压）的物体。若接触面是平面， 则弹力与平面垂直，若接触面是曲面 （或点），则弹力与切面垂直。 （２）一般情况：凡是一根线 （或绳）对物 体的拉力，都是这根线 （或绳）因为 发生形变而对物体产生的弹力；拉力 的方向总是沿线 （或绳）的方向。 （３）杆一端受的弹力方向不一定沿杆的方 向。只有用铰链连接的轻杆，弹力才 沿着杆。 ４．弹力的大小：与形变大小有关，同一物 体形变越大弹力越大；对有明显形变的 弹簧、橡皮条等物体，弹力的大小可以 由胡克定律计算。 （１）一根张紧的轻绳上的弹力大小处处 相等。 （２）在解题过程中，弹力可由力的平衡条 件或牛顿运动定律求得。 例３　 （多选）在日常生活及各项体育运动 中，有弹力出现的情况比较普遍，跳水运动 就是一个实例。下列说法正确的是 （　　） Ａ．跳板发生形变，运动员的脚没有发生 形变 Ｂ．跳板和运动员的脚都发生了形变 Ｃ．运动员受到的支持力，是跳板发生形变 而产生的 Ｄ．跳板受到的压力，是跳板发生形变而产 生的 　　弹力产生的原因是发生弹性形变的 物体要恢复原状。 解析：发生形变的物体，为了恢复原状，会 对与它接触的物体产生弹力的作用，发生形 变的物体是施力物体，所以Ａ、Ｄ错误，Ｂ、 Ｃ正确。 答案：ＢＣ 　　下列关于弹力的叙述错误的是 （　　） Ａ．压力、拉力、                                                                   支持力都是弹力 !>#$?@ABCCD 　学 ４５　 Ｂ．压力和支持力的方向总是垂直于接触面 Ｃ．轻绳、轻杆上产生的弹力的方向总是在 沿绳、杆的直线上 Ｄ．轻杆不同于轻绳，弹力的方向可以不 沿杆 要点４　胡克定律 １．内容：弹簧发生弹性形变时，弹力的大 小Ｆ跟弹簧伸长 （或缩短）的长度ｘ成 正比。 ２．公式：Ｆ＝ｋｘ，其中 ｋ为弹簧的劲度系 数，单位：牛顿每米，符号：Ｎ／ｍ，它 的大小反映了弹簧的 “软”“硬”程度， 由弹簧本身的性质决定，与弹力大小 无关。 胡克定律可表示为 （在弹性限度内）：Ｆ＝ ｋｘ，还可以表示成 ΔＦ＝ｋΔｘ，即弹簧弹 力的改变量和弹簧形变量的改变量成 正比。 例４　原长为１６ｃｍ的轻质弹簧，当甲、乙 两人同时用１００Ｎ的力由两端反向拉时，弹 簧长度变为１８ｃｍ；若将弹簧一端固定在墙 上，另一端由甲一人用２００Ｎ的力拉，这时 弹簧长度变为 ｃｍ，此弹簧的劲度 系数为 Ｎ／ｍ。 　　本题要求学生掌握胡克定律，并理 解正比的本质特征。此外对两人拉弹簧 与一人拉弹簧的受力分析也是本题设计 的陷阱。 解析：由胡克定律Ｆ＝ｋｘ可知Ｆ１∶Ｆ２＝ｘ１∶ｘ２， 即１００∶２００＝（１８－１６）∶（Ｌ－１６），解得 Ｌ＝ ２０ｃｍ。由胡克定律可得弹簧劲度系数ｋ＝ΔＦ Δｘ ＝ ２００－１００ （４－２）×１０－２ Ｎ／ｍ＝５×１０３Ｎ／ｍ。 答案：２０　５×１０３ 　变式训练４题图 　　如图，两木块的质量 分别是ｍ１和ｍ２，两轻弹簧 的劲度系数分别为ｋ１和ｋ２， 上面的木块压在上面的弹 簧上，整个系统处于平衡 状态，现缓慢向上提上面的木块直到它刚离 开上面的弹簧，在这个过程中，下面的木块 移动的距离为 （　　） Ａ． ｍ１ｇ ｋ１ 　 Ｂ． ｍ２ｇ ｋ１ 　Ｃ． ｍ１ｇ ｋ２ 　Ｄ． ｍ２ｇ ｋ２ 重力与万有引力的区别 这个区别以你现有的物理知识可能只能 理解一部分，不能全部理解。 万有引力简称引力，“万有”是指 “一 切有引力质量的物体间都具有引力”，所以 称为 “万有”。在这个表述中，“引力质量” 可以简单地理解为通常意义的静止质量，对 于相对论情形再另说。从物理学角度讲，万 有引力是力的分类的一种，是四种基本作用 力中的一种。 地心引力是将万有引力运用于处理地球 问题中产生的，是指 “地球与近地表的物 体之间的万有引力作用”，这里，“近地表” 的表述比较模糊，需要视具体问题而定其范 围。总之，地心引力仅仅是万有引力中很小 的一部分，引力场的场源必须为地球时才能 使用此概念                                                                   。 * + , - . / !"012345 ４６　 学 重力是指 “近地表的物体受到的竖直 向下的、垂直地表的引力”。重力实质上是 地心引力的一个分力。由于地球有自转，所 以，近地表的物体为了和地球保持同步的旋 转，需要一定的向心力。重力就是指在物体 受到的地心引力中，扣除其所需的向心力后 剩余的引力。只有南北极点处，地心引力和 重力才严格相等。 变式训练答案         １．Ｄ　２．Ｄ　３．Ｃ　４．Ｃ ２．摩　擦　力 知识点１　滑动摩擦力 １．定义：两个相互接触的物体，当它们相 对滑动时，在接触面上会产生一种阻碍 相对运动的力，叫滑动摩擦力。 ２．方向：与接触面相切，与物体的相对运 动方向相反。 ３．大小：滑动摩擦力的大小与压力大小成 正比，即Ｆｆ＝μＦＮ。 知识点２　静摩擦力 １．定义：两个相互接触而且保持相对静止 的物体，当它们有相对运动趋势时，在 接触面上会产生一种阻碍相对运动趋势 的力，叫静摩擦力。 ２．方向：与接触面相切，与物体的相对运 动趋势的方向相反。 ３．大小：与引起相对运动趋势的外力有关。 要点１　对滑动摩擦力的理解 １．产生条件：接触面粗糙，两物体接触面 上有弹力，两物体间有相对滑动。 （１）若两物体间有滑动摩擦力，则一定有 弹力；若两物体间有弹力，则不一定 有摩擦力；若两物体间没有弹力，则 一定没有摩擦力。 （２）在对物体受力分析时，要先分析弹力， 再分析滑动摩擦力。 （３）滑动摩擦力是存在于相对滑动的物体 间的摩擦力。相对运动与运动不等同， 相对运动的两物体可以都是运动的 （此时运动的速度不同），也可以是一 个运动、一个静止。所以，静止的物 体也可以受到滑动摩擦力。如一木块 在桌面上滑动时，桌面静止，但受到 滑动摩擦力。 ２．方向：与接触面相切，与物体的相对运 动的方向相反。 （１）物体的相对运动方向与运动方向不等 同，没有必然的关系。相对运动方向 是指相对于接触面的运动方向，而运 动方向是相对于地面的运动方向，二 者可以相同，可以相反，也可以成某 一角度                                               。