内容正文:
相互作用
第2节 弹力
第三章
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高中物理 必修 第一册 (J)
物理观念 科学探究 科学态度与责任
1.知道什么是弹性形变。
2.知道弹力产生的原因以及条件。
3.会判断和分析弹力的方向。
4.知道胡克定律的内容。 1.探究将微小形变放大的方法,理解弹性形变过程中物体的弹力产生的过程。
2.探究弹簧弹力与形变之间的关系。 1.培养通过大量的观察、研究总结基本规律的科学态度和方法。
2.培养严谨认真的科学素养,学习透过事物的表象揭示其内在的原理和逻辑关系的科学方法。
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必备知识 自主学习
形状或体积
恢复原状
塑性形变
与它接触
问题交流
A级
B级
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2.弹力产生的条件:①两个物体________;②两个物体均发生________。
3.弹力的方向:①压力和支持力的方向____于接触面指向被压或被支持的物体;②绳子的拉力的方向沿着绳子指向绳子____的方向。
三、弹簧的弹力和形变的关系
1.胡克定律:______________________________________________
________________。
2.胡克定律公式:________。
3.弹簧的劲度系数:k。单位:______,由弹簧本身的__________________________等因素决定。
必备知识 自主学习
相互接触
弹性形变
垂直
收缩
在弹性限度内,弹簧弹力F的大小与弹簧的伸长(或缩短)量x成正比
F=kx
N/m
结构(材料、匝数、直径等)
问题交流
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判断下列说法的正误。(对的画“√”,错的画“×”)
(1)木块放在桌面上受到向上的弹力,是由于木块发生微小形变而产生的。( )
(2)挂在悬线下的物体受到向上的拉力,是由于悬线发生微小形变而产生的。( )
(3)只要两物体相互接触就一定产生弹力。( )
必备知识 自主学习
×
√
×
问题交流
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(4)只有发生弹性形变的物体才会对与它接触的物体产生弹力作用。( )
(5)同一根弹簧截成相同的两段,每一段的劲度系数与原先的相同。( )
必备知识 自主学习
√
×
问题交流
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探究点一__弹力产生的条件
观察图片,在水边用细木棍将漂浮在水面的一块木板推开,我们发现细木棍发生明显的弯曲,感觉到细木棍的弹性,木棍施加给木板的弹力将木板推开。
关键能力 互动探究
问题交流
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[问题设计]
如果换用一根钢管,也能施加给木板推力将木板推开。这时,钢管是否也发生形变,两种情况下弹力的产生是否相同?弹力产生的条件是什么?
提示:钢管也发生了微小的形变,弹力的产生是相同的,弹力产生的条件是两个物体相互接触,且发生弹性形变。
关键能力 互动探究
问题交流
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一、 形变
1.物体在力的作用下形状或体积发生变化
(1)物体在形变后能恢复原状,这种形变叫弹性形变。如弹簧形变。
(2)物体在形变后不能恢复原状,这种形变叫塑性形变。如橡皮泥形变。
(3)形变过大,超过一定的限度,撤去外力后,物体就不能完全恢复原来的形状,这个限度叫作弹性限度(承受极限)。
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2.几种常见的微小形变放大法
(1)用手握压装满水的瓶子,细玻璃管中水面的变化将瓶子的微小形变放大。
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(2)利用光的反射放大桌面的微小形变。
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二、弹力
1.定义:发生形变的物体,由于要恢复原状,会对与它接触的物体产生力的作用,这种力叫作弹力。
2.弹力产生的条件:两个物体相互接触;两个物体均发生弹性形变。
提醒:甲、乙两物体之间发生弹力作用,甲物体受到的弹力作用是乙物体发生形变的结果,乙物体受到的弹力作用是甲物体发生形变的结果。
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[例1] (2025·广西钦州高一期末)一个足球放在一块长木板上,如图所示,木板和足球均发生了弹性形变,关于它们弹力的情况,以下说法错误的是 ( )
A.足球受到的支持力是木板产生的弹力
B.足球产生的弹力作用在木板上
C.木板形变是木板产生弹力造成的
D.足球产生的弹力就是足球对木板的压力
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C
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[练1] 下列关于弹力的说法正确的是 ( )
A.相互接触的两个物体间必然有弹力存在
B.不接触的物体间也可能存在弹力
C.只要物体发生形变就一定有弹力
D.在相互接触且发生弹性形变的物体间才产生弹力
关键能力 互动探究
D
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[练2] (多选)在下列图中,物体a、b表面均光滑,且物体a、b均处于静止状态,天花板和地面均水平。物体a、b间一定有弹力的是 ( )
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BC
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探究点二__弹力的方向
1.压力和支持力的方向:垂直于接触面指向被压或被支持的物体。
2.绳子的拉力的方向沿绳子指向绳子收缩的方向。
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(1)“面面”接触:弹力垂直平面。
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(2)“点面”接触:弹力通过接触点而垂直平面。若面为曲面,则垂直于曲面的切线。
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(3)“点点”接触:弹力通过接触点垂直于切面而指向圆心。
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(4)沿绳子收缩的方向。
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(5)有转轴的杆,轻杆对节点的弹力,沿杆或拉或推。
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(6)杆固定,可提供各种效果的弹力,杆对物体的弹力不一定沿杆方向。
3.判断物体之间是否存在弹力的方法:假设物体之间的弹力消失,看物体是否还能保持原有的状态。
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[例2] 画出各指定物体受到的弹力
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[练3] 松鼠在我国的东北和华北各地十分常见,如图所示,一只松鼠站在倾斜的树枝上,则树枝对松鼠的弹力的方向为( )
A.竖直向上 B.竖直向下
C.垂直树枝斜向上 D.沿树枝方向
关键能力 互动探究
C
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[练4] (多选)下列选项中对物体P受到的所有弹力的示意图,画法全部正确的是 ( )
关键能力 互动探究
AB
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探究点三__弹簧的弹力和形变量之间的关系
如图所示的装置中,小球的质量均相同,弹簧和细线的质量均不计,一切摩擦忽略不计,平衡时各弹簧的弹力分别为F1、F2、F3。
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[问题设计]
F1、F2、F3是否相同?如果换成三个相同的弹簧测力计,弹簧测力计的读数是否一样?
提示:F1、F2、F3相同,换成相同的弹簧测力计,读数相同。
关键能力 互动探究
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探究弹簧的弹力和形变量之间的关系
(一)实验仪器:铁架台、弹簧、毫米刻度尺、钩码若干、坐标纸、重锤线、铅笔。
(二)实验步骤
1.将铁架台放在实验桌上,把弹簧悬挂在铁架台上,待弹簧自由下垂并静止时,测量原长l0。
2.依次在弹簧下端挂上1个钩码、2个钩码、3个钩码……每次钩码处于静止状态时,测出弹簧总长,然后计算伸长量Δx=l-l0,设计表格记录数据。
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[实验提醒]
1.弹簧和刻度尺一定要竖直悬挂和固定。
2.测量弹簧原长时,要在竖直悬挂弹簧以后测量,而不是平放弹簧测量,因为弹簧竖直悬挂时在重力作用下会伸长,竖直悬挂测原长可以避免因此而造成的误差。
3.测量时要注意弹簧的原长、伸长量以及弹簧的长度之间的关系。
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(三)数据处理
关键能力 互动探究
钩码个数 钩码质量m/kg 弹簧弹力F/N 弹簧总长l/(10-2 m) 弹簧伸长量x/(10-2m)
1
2
3
4
5
6
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(1)根据表格数据,在坐标纸建立合适的坐标,描点,作出弹簧弹力F与伸长量x之间的关系图像。
(2)根据F-x图像,求出图像斜率。
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[实验提醒]
1.一定要根据实验实际采集数据描点。
2.根据点迹分布情况确定是线性还是非线性曲线(也可根据物理规律判断),如果是线性曲线一定要利用刻度尺画线,画线时应使尽可能多的点落在线上,同时要调整线的位置,使线两边的点数差不多。要注意错误数据不能使用。对于非线性曲线要画一条光滑的曲线,不能画成折线。
3.利用图像计算弹簧的劲度系数时,要注意坐标轴的单位和有效数字的要求。
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[例3] 某同学利用图甲的装置测量轻弹簧的劲度系数。图中,光滑的细杆和直尺水平固定在铁架台上,一轻弹簧穿在细杆上,其左端固定,右端与细绳连接;细绳跨过光滑定滑轮,其下端可以悬挂钩码(实验中,每个钩码的质量均为m=50.0 g),弹簧右端连有一竖直指针,其位置可在直尺上读出,实验步骤如下:
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①在绳下端挂上一个钩码,调整滑轮,使弹簧与滑轮间的细线水平且弹簧与细杆没有接触;
②系统静止后,记录钩码的个数及指针的位置;
③逐次增加钩码个数,并重复步骤②(保持弹簧在弹性限度内);
④用n表示钩码的个数,l表示相应的指针位置,将获得的数据记录在表格内。
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回答下列问题:
(1)根据下表的实验数据在图乙中补齐数据点并作出l-n图像;
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(2)弹簧的劲度系数k可用钩码质量m、重力加速度大小g及l-n图线的斜率a表示,表达式为k=________;若g取9.80 N/kg,则本实验中k=________N/m(结果保留3位有效数字)。
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[练5] 某同学用如图甲所示装置探究弹簧弹力与弹簧伸长量的关系。刻度尺竖直固定放置,零刻度与弹簧上端对齐。
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(1)以弹簧受到的弹力F为纵轴、弹簧长度x为横轴建立直角坐标系,依据实验数据作出F-x图像,如图乙所示,由图像可知:弹簧自由下垂时的长度L0=______cm,弹簧的劲度系数k=______N/m。
(2)若实际实验操作时刻度尺的零刻度略高于弹簧上端,仍然采用(1)中的方法得出的劲度系数将________(填“偏小”“偏大”或“不受影响”)。
答案:(1)4 50 (2)不受影响
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[练6] 某同学用如图甲所示装置做“探究弹簧弹力与弹簧伸长量的关系”的实验。他先测出不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,然后在弹簧下端挂上钩码,并逐个增加钩码,测出指针所指的标尺刻度,所得数据列表如下:(g取9.8 N/kg)
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关键能力 互动探究
钩码质量M/(102 g) 标尺刻度x/(10-2 m)
0 15.00
1.00 18.94
2.00 22.82
3.00 26.78
4.00 30.66
5.00 34.60
6.00 42.00
7.00 54.50
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(1)根据所测数据在图乙上作出弹簧指针所指的标尺刻度x与钩码总质量m的关系曲线。
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(2)根据所测得的数据和关系曲线可以判断,在________N范围内弹力大小与弹簧伸长量关系满足胡克定律。这种规格弹簧的劲度系数为________N/m。
答案:(1)见解析图 (2)4.9 25.00
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探究点四__胡克定律
1.内容:在弹性限度内,弹簧弹力的大小与弹簧的伸长(或缩短)量成正比。
2.公式:F=kx
(1)k:弹簧的劲度系数,单位N/m。取决于弹簧的材料、匝数、直径、长度等自身因素。
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(2)x:弹簧的形变量,伸长量=长度-原长(或者缩短量=原长-长度)。
3.弹簧弹力的方向:中学物理所研究的弹簧一般为轻弹簧(不考虑弹簧的质量),弹簧产生的拉力(弹簧在伸长的状态下)与弹力(弹簧在压缩的状态下)均沿着弹簧轴线的方向。
4.弹簧上处处张力相等,即在弹簧上任意位置将弹簧分成两部分,一侧对另一侧的作用力处处相等,该作用力就是弹簧的弹力。
5.弹簧测力计的读数等于弹簧弹力的大小。
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[例4] (2023·山东卷)餐厅暖盘车的储盘装置示意图如图所示,三根完全相同的弹簧等间距竖直悬挂在水平固定圆环上,下端连接托盘。托盘上叠放若干相同的盘子,取走一个盘子,稳定后余下的正好升高补平。已知单个盘子的质量为300 g,相邻两盘间距1.0 cm,g=10 N/kg。弹簧始终在弹性限度内,每根弹簧的劲度系数为( )
A.10 N/m B.100 N/m
C.200 N/m D.300 N/m
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B
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[练7] 如图所示,重为6 N的物体挂在轻质弹簧的下端时,弹簧伸长了0.03 m。现换用另一个重为12 N的物体挂在弹簧的下端(形变仍在弹性限度内),这时弹簧的伸长量、劲度系数分别是( )
A.0.03 m、100 N/m B.0.04 m、200 N/m
C.0.05 m、100 N/m D.0.06 m、200 N/m
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D
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[练8] (多选)如图所示,轻弹簧的两端各受15 N拉力F作用,弹簧平衡时伸长了3 cm且在弹性限度内,那么下列说法中正确的是 ( )
A.该弹簧的劲度系数k=500 N/m
B.该弹簧的劲度系数k=1 000 N/m
C.若将弹簧一端固定,仍要使弹簧伸长3 cm,则作用在另一端的拉力F仍为15 N
D.若将弹簧一端固定,仍要使弹簧伸长3 cm,则作用在另一端的拉力F需要30 N
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AC
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1. 中国跳水队员在比赛中的一个瞬间如图所示。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运动员的脚发生形变而产生的
D.跳板受到的压力是跳板发生形变而产生的
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B
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2.在以下四个受力示意图中,各接触面均光滑,其中物体M在各接触面所受到的弹力正确的是 ( )
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A
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3.如图所示的装置中,三个相同的轻弹簧在未受力状态下原长相等,小球的质量均相同,弹簧和细线的质量均不计,一切摩擦忽略不计。平衡时各弹簧的长度分别为L1、L2、L3,弹簧在弹性限度内,其大小关系是 ( )
A.L1=L2=L3 B.L1=L2<L3
C.L1=L3>L2 D.L3>L1>L2
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A
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4.如图甲所示,用铁架台、弹簧和多个已知质量且质量相等的钩码,探究在弹性限度内弹簧弹力与弹簧形变量之间的关系实验。
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(1)实验中还需要的测量工具有:________。
(2)如图乙所示,根据实验数据绘图,纵轴是钩码质量m,横轴是弹簧的形变量x,由图可知:图线不通过原点的原因是_________________;
若忽略影响图线不过原点的因素,则弹簧的劲度系数k=______________N/m。(计算结果保留2位有效数字,g=9.8 N/kg)
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(3)如图丙所示,实验中用两根不同的弹簧a和b,画出弹簧弹力F与弹簧长度L的F-L图像,下列说法正确的是________。
A.a的原长比b的长
B.a的劲度系数比b的大
C.a的劲度系数比b的小
D.弹力与弹簧长度成正比
答案:(1)刻度尺 (2)弹簧自重 4.9 (3)B
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5. 如图甲所示,质量分别为mA=3 kg、mB=2 kg 的A、B两物体用轻弹簧连接后竖直放置在水平地面上并处于静止,此时A、B间的距离l=7 cm,轻弹簧的自然长度l0=10 cm,g=10 N/kg。
(1)求轻弹簧的劲度系数。
(2)如图乙所示,若把A物体用细绳悬挂,使A、B两物体都处于静止,则两物体之间的距离是多少?
答案:(1)1 000 N/m (2)0.12 m
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课时梯级训练(13)
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谢谢观看
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一、 形变
1.形变是指物体在力的作用下__________发生变化。
2.发生形变的物体在撤去外界作用力后能够________的形变叫作弹性形变。不能完全恢复原状的形变叫作________。
二、弹力
1.发生形变的物体,由于要恢复原状,会对________的物体产生力的作用,这种力叫作弹力。
足球受到的支持力是由木板发生弹性形变而产生的,A正确;木板对足球有弹力的作用,物体间力的作用是相互的,足球产生的弹力作用在木板上,B正确;木板形变是木板受到足球的作用力形成的,C错误;足球产生的弹力就是足球对木板的压力,D正确。
图A中物体a、b无相互挤压,没有发生形变,物体a、b间无弹力,A错误;图B中细绳偏离竖直方向,则物体a、b相互挤压,物体a、b间有弹力,B正确;图C中物体a、b间有弹力,且弹力方向垂直于物体a、b的接触面,C正确;图D中假设物体a、b间有弹力,物体b对物体a的弹力垂直于斜面向上,物体a不可能静止,故物体a、b间无弹力,D错误。
答案:见解析
依题意,可画出各物体所受弹力,如图所示
支持力的方向总是垂直于接触面指向被支持的物体,C正确。
绳子的弹力沿着绳子指向绳子收缩的方向,A正确;物体受到地面的弹力,方向垂直于接触面,指向物体P,同时绳子的弹力沿着绳子指向绳子收缩的方向,B正确;物体P受到地面的弹力垂直于地面向上,同时还受到上面物体向下的弹力,垂直于接触面向下,C错误;物体P受到地面的弹力垂直于地面斜向上,D错误。
n
1
2
3
4
5
l/cm
10.48
10.96
11.45
11.95
12.40
答案:(1)见解析图 (2) 102
(1)根据表中描点作出l-n图像如图;
(2)由胡克定律:nmg=k(l-l0),即l=n+l0,则=a,解得k=;由图可知a==0.48,解得k= N/m≈102 N/m。
(1)根据胡克定律得F=k(x-L0)=kx-kL0,所以弹簧弹力为零时弹簧的长度为弹簧原长,根据图像得L0=4 cm;F-x图像的斜率表示弹簧的劲度系数,即k= N/m=50 N/m。
(2)根据k=可知,若实验中刻度尺的零刻度略高于弹簧上端,由实验数据得到的劲度系数不受影响。
(1)根据表格中的各组数据在坐标纸上标出相应的点,然后用平滑曲线连接这些点,作出的图像如图所示。
(2)根据作出的图线可知,钩码质量在0~500 g范围内图线是直线,表明弹力大小与弹簧伸长量关系满足胡克定律,即弹力最大值为
Fx=mg=500×10-3×9.8 N=4.9 N
所以在0~4.9 N范围内弹力大小与弹簧伸长量关系满足胡克定律;
这个范围内的曲线上找到相距较远的两点,利用这两点的坐标值计算弹簧的劲度系数k== N/m=25.00 N/m。
提醒:一根弹簧截成长度不同的几段后,每一段的劲度系数均不同。更不等于原来的劲度系数。
由题知,取走一个盘子,稳定后余下的正好升高补平,则说明一个盘子的重力可以使弹簧形变相邻两盘间距,则有mg=3·kx,解得k=100 N/m,B正确。
根据胡克定律F=kx可得,弹簧的劲度系数为k== N/m=200 N/m,重为12 N的物体挂在弹簧的下端时,弹簧的伸长量x2== m=0.06 m,D正确。
弹簧的弹力F=15 N,根据胡克定律F=kx得弹簧的劲度系数为k===500 N/m,A正确,B错误;若将弹簧一端固定,仍要使弹簧伸长3 cm时,弹力大小为F=kx=500×0.03 N=15 N,C正确,D错误。
运动员起跳时,跳板和运动员的脚都会受到力的作用,所以都会发生形变,A错误,B正确;运动员受到的支持力是跳板发生形变产生的,C错误;跳板受到的压力是运动员的脚发生形变产生的,D错误。
根据受力分析可知,M只与水平面有相互挤压的效果,与斜面没有力的作用,若受斜面弹力的作用,则不能平衡,所以只受到地面的弹力作用,A正确;根据受力分析可知,M的两端分别与地面和细绳相接触,由于重力作用,M与地面间有相互的挤压作用,受到竖直向上的弹力,由于细绳被拉紧,所以还会受到绳子的拉力作用,方向沿绳子收缩的方向,不是沿杆的方向,B错误;根据受力分析可知,与M相接触的地方有两处,M的下端与半圆形凹槽有相互挤压的效果,受到指向圆心的弹力F1作用,在半圆凹槽的上端,与M也有相互挤压的效果,所以M受到弹力F2的作用,方向垂直于细杆向上,不是指向圆心,C错误;根据受力分析可知,与M相接触的物体有两个,分别是细绳和斜面,由于重力竖直向下,所以M一定会受到沿绳竖直向上的弹力作用,假设M与斜面间有垂直于斜面向上的弹力作用,则M在水平方向上合力不为零,不会处于静止状态,所以M不会受到斜面的弹力,D错误。
有两处,M的下端与半圆形凹槽有相互挤压的效果,受到指向圆心的弹力F1作用,在半圆凹槽的上端,与M也有相互挤压的效果,所以M受到弹力F2的作用,方向垂直于细杆向上,不是指向圆心,C错误;根据受力分析可知,与M相接触的物体有两个,分别是细绳和斜面,由于重力竖直向下,所以M一定会受到沿绳竖直向上的弹力作用,假设M与斜面间有垂直于斜面向上的弹力作用,则M在水平方向上合力不为零,不会处于静止状态,所以M不会受到斜面的弹力,D错误。
由于小球的质量相等,故三种情况下小球对弹簧产生的拉力相等,由胡克定律F=k·Δx可知,各弹簧的形变量相等,由于原长相等,故平衡时各弹簧的长度都相等,A正确。
(1)实验需要测量弹簧伸长的长度,需要刻度尺。
(2)测量弹簧的原长时,弹簧没有处于自然下垂状态。由题图乙,弹簧的劲度系数为
k= N/m=4.9 N/m。
(3)由题图丙知,F-L图像横坐标的截距表示原长,故b的原长比a的长, A错误;斜率越大,劲度系数越大,a的劲度系数比b的大, B正确,C错误;弹簧的弹力与弹簧的形变量成正比,D错误。
(1)由于A、B静止,对A分析,根据受力平衡可得mAg=kx
x=l0-l=3 cm
解得k=10 N/cm=1 000 N/m。
(2)设弹簧的伸长量为x′,以B物体为研究对象,根据受力平衡可得mBg=kx′
解得x′=2 cm=0.02 m
A、B间距为l′=l0+x′=12 cm=0.12 m。
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