高一物理暑期课程第5讲弹力胡克定律教师版.docx
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高一物理暑期课程第5讲弹力胡克定律教师版
2018高一物理暑期课程第5讲弹力、胡克定律(教师版)
弹力、胡克定律
适用学科
物理
适用年级
高中一年级
适用区域
新课标人教版
课时时长
120分钟
知识点
弹力、胡克定律
教学目标
1.知道形变的概念,并会区分某种形变是弹性形变还是非弹性形变.
2.知道弹力的定义及产生的条件,会判断两个物体间是否存在弹力,并会判断弹力的方向.
3.掌握胡克定律并能用此定律解决有关问题.
教学重点
弹力产生的条件、大小及方向
教学难点
弹力的方向判断
教学过程
一、复习部分
力是物体间的相互作用、生活中我们常见的力有各种各样,我们可以依据他们的性质
进行分类,像弹簧、绳子收到的拉力,及物体对水平面的压力,这些力是否有相同的
性质呢?
物体之间发生相对运动时,有一种阻碍的力,这个力有什么特性呢?
二、教师指导下的学生自主学习
课程引入:
1、我们根据力的性质将日常中常见的力分为:
弹力、摩擦力、及重力。
本节课我们重点教学弹力和摩擦力。
2、弹力产生的条件是什么?
方向如何?
弹簧的弹力的大小是如何的?
3、摩擦力产生的条件是什么?
方向如何?
大小是多少?
(一)相关知识理解
考点/易错点1形变和弹力
[问题设计]
(1)如图1所示,取一个圆玻璃瓶,里面盛满水,用穿有透明细管的橡皮塞封口,使水面位于细管中,用手捏玻璃瓶,会看到什么现象?
说明什么?
图1
(2)用手压橡皮泥,橡皮泥发生形变;脚踩在松软的土地上,留下了深深的脚印(形变),这两种形变与玻璃瓶的形变有什么不同?
(3)用手拉弹簧,弹簧会对手产生一个拉力(如图2所示),这个拉力是如何产生的?
图2
答案
(1)手捏玻璃瓶,管中水面上升.说明受压时玻璃瓶发生形变,体积变小了.
(2)橡皮泥、泥土受力后发生的形变,在撤去外力后不能恢复原状(非弹性形变),玻璃瓶的形变在撤去外力后能恢复原状(弹性形变).
(3)弹簧受到拉力后发生形变(伸长),发生形变的弹簧要恢复原状,对手就产生了拉力.
[要点提炼]
1.弹性形变和弹力
(1)弹力:
发生弹性形变的物体,由于要恢复原状,就会对跟它接触使它发生形变的物体产生力的作用,这种力叫做弹力.
(2)弹性形变:
作用在物体上的外力撤去后,物体能恢复原状的形变.
(3)范性形变:
外力撤去后,物体不能恢复原状的形变.
2.弹力产生的条件:
(1)两物体相互接触;
(2)发生弹性形变.
考点/易错点2胡克定律
[问题设计]
如图3所示,为一弹簧测力计.弹簧测力计的刻度是否均匀?
这说明什么?
图3
答案 均匀.说明弹簧测力计的弹力与弹簧的形变量成正比.
[要点提炼]
1.内容:
在弹性限度内,弹簧弹力的大小F跟弹簧伸长(或缩短)的长度x成正比.
2.公式:
F=kx.
3.说明
(1)应用条件:
弹簧发生形变时必须在弹性限度内.
(2)x是弹簧的形变量,而不是弹簧形变后的长度.
(3)k为弹簧的劲度系数,反映弹簧本身的属性,由弹簧自身的长度、粗细、材料等因素决定,与弹力F的大小和伸长量x无关.
(4)F-x图像是一条过原点的倾斜直线(如图4所示),直线的斜率表示弹簧的劲度系数k.
图4
(5)弹簧弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx也成正比,即ΔF=kΔx.
考点/易错点3弹力的方向
[问题设计]
1.一铁块放在海绵上,铁块和海绵都发生了形变,从而在它们之间产生了弹力,如图5所示.海绵对铁块的支持力是如何产生的?
方向怎样?
铁块对海绵的压力是怎样产生的?
方向怎样?
图5
答案
(1)海绵对铁块的支持力:
海绵发生弹性形变,对与它接触的铁块产生力的作用,方向垂直于接触面向上(如图甲).
甲 乙
(2)铁块对海绵的压力:
铁块发生弹性形变,对与它接触的海绵产生力的作用,方向垂直接触面向下(如图乙).
2.如图6所示,用橡皮绳斜向右上拉放在水平面上的物块.橡皮绳对物块的拉力是怎样产生的?
方向怎样?
图6
答案 由于橡皮绳发生形变,对与它接触的物块产生力的作用,方向沿绳指向绳收缩的方向(沿绳斜向右上).
[要点提炼]
1.压力、支持力的方向:
总是垂直于接触面,若接触面是曲面,则垂直于接触面的切线;若接触面是球面,弹力方向延长线或反向延长线过球心.
2.绳的拉力方向:
总是沿着绳并指向绳收缩的方向.
[延伸思考]
如图7所示,把一个球形物体A放在半球形容器B内,在图中画出A受到的弹力.
图7
答案 A受到的弹力垂直于两接触面的切线(弹力方向的延长线过球心),如图所示.
考点/易错点4滑动摩擦力
[问题设计]
1.用力将黑板擦(毛较长)在黑板上滑动,观察毛刷的弯曲方向.如图1所示,毛刷为什么向后弯曲?
图1
答案 因为毛刷所受滑动摩擦力的方向沿板面,与板擦运动方向相反.
2.把手按在桌面上,用力向前滑动,手有什么感觉?
增大手与桌面的压力,感觉有什么不同?
这说明什么?
阅读课本,写出滑动摩擦力的公式.
答案 手受到向后的阻力(滑动摩擦力).感觉手受到向后的阻力(滑动摩擦力)增大.滑动摩擦力大小随着压力的增大而增大.f=μN.
[要点提炼]
1.定义:
当一个物体跟另一个物体有相对滑动时,在它们的接触面上产生的摩擦力,叫做滑动摩擦力.
2.滑动摩擦力产生的条件
(1)两物体相互接触且相互挤压.
(2)接触面粗糙.
(3)两物体间有相对运动.
3.滑动摩擦力的方向
总是沿着接触面,并且与相对运动的方向相反.
注意
(1)与“相对运动的方向相反”,并不是与“运动方向”相反.
(2)滑动摩擦力的效果是阻碍物体间的相对运动,并不是阻碍物体的运动.
4.滑动摩擦力的大小
滑动摩擦力的大小跟压力成正比.
公式:
f=μN,μ为动摩擦因数,取决于相互接触的两物体的材料和接触面的粗糙程度,与接触面的面积无关(填“有关”或“无关”),跟物体间相对运动的速度大小无关(填“有关”或“无关”).
[延伸思考]
如图2所示,物体A叠放在置于光滑水平面的木板B上,两物体都沿着水平方向向右运动,某时刻的速度分别为vA=1m/s,vB=2m/s.请分别分析A、B两物体受到的滑动摩擦力的方向.滑动摩擦力一定阻碍物体的运动吗?
图2
答案 以B为参考系,A相对B向左运动,A受到B向右的滑动摩擦力f1;
以A为参考系,B相对于A向右运动,所以B受到A向左的滑动摩擦力f2.
B对A的摩擦力与A的运动方向相同,是动力.
A对B的摩擦力与B的运动方向相反,是阻力.
所以滑动摩擦力可以与物体运动方向相反,也可以与物体运动方向相同,可以是阻力,也可以是动力.
考点/易错点5静摩擦力
[问题设计]
1.把木块放在水平桌面上,用弹簧测力计沿水平方向向右拉木块,如图3所示.
图3
当测力计的示数为1N时,木块没有动;逐渐增大拉力到2N时,木块仍静止;继续增大拉力到4N时,木块开始移动,此时拉力突然变小到3.8N,此后木块匀速运动,拉力保持3.8N不变.
(1)木块受到的拉力为1N时,有相对桌面运动的趋势但没有运动,说明什么呢?
(2)随着外力的增大,静摩擦力有什么变化?
(3)静摩擦力在哪里产生?
沿什么方向?
答案
(1)说明桌面对木块施加一个与拉力方向相反的、大小也为1N的力,这个力就是桌面对木块的静摩擦力.
(2)静摩擦力的大小随着外力的增大而增大,但有一个最大值.
(3)静摩擦力产生在相对静止但有相对滑动趋势的物体之间.静摩擦力的方向与接触面相切,与物体相对滑动趋势的方向相反.
2.在矿山、码头、工厂中多用传送带将货物由低处传送到高处.如图4所示,传送带匀速转动,货物和传送带相对静止.
图4
(1)传送带靠什么力把货物送到高处?
此力方向如何?
(2)只有静止的物体才受静摩擦力吗?
静摩擦力总是阻碍物体的运动吗?
答案
(1)静摩擦力.静摩擦力的方向沿斜面向上(与物体运动方向相同).
(2)不是.静摩擦力发生在两个相对静止的物体之间,物体本身可以运动.
静摩擦力阻碍的是相对滑动趋势,并不总是阻碍物体的运动.静摩擦力也可以是动力.
[要点提炼]
1.定义:
物理学中,把物体间有相对滑动趋势时产生的摩擦力,叫做静摩擦力.
2.静摩擦力产生的条件
(1)物体相互接触且相互挤压.
(2)接触面粗糙.
(3)两物体间相对静止但有相对滑动趋势.
注意 两物体是“相对静止”,并不是静止.
3.静摩擦力的方向
总是沿着接触面,并且跟物体间相对滑动趋势的方向相反.
注意
(1)与“相对滑动趋势的方向相反”,并不是与“运动方向”相反.
(2)静摩擦力的效果是阻碍物体间的相对滑动趋势,并不是阻碍物体的运动.
4.静摩擦力的大小
(1)静摩擦力具有被动性,即其大小总随迫使物体发生相对运动的外力的变化而变化,与正压力大小无关(填“有关”或“无关”).
(2)静摩擦力有一个最大值,即最大静摩擦力fmax,静摩擦力的范围是0 (3)静摩擦力的大小一般根据平衡条件求解.如图5中水平力F=1N、2N、3N时物块没有运动,静摩擦力大小分别为1N、2N、3N. 图5 [延伸思考] 产生静摩擦力的条件之一是“两物体之间有相对滑动趋势”.那么,何为“相对滑动趋势”? 如何判断“相对滑动趋势”的方向? 答案 “相对滑动趋势”是指一个物体相对于与它接触的另一个物体有滑动的可能,但还处于相对静止状态.例如用力推木箱,木箱未动,但木箱有相对地面向前的滑动趋势. “相对滑动趋势的方向”是指假设接触面光滑时,物体将要发生相对滑动的方向.如图,物体静止在粗糙斜面上,假设斜面光滑时,物体将沿斜面下滑,即物体静止时,相对(斜面)滑动趋势的方向是沿斜面向下. (二)典例精析 【例题1】 【题干】 下列关于弹力的几种说法,其中正确的是( ) A.只要两物体接触就一定产生弹力 B.静止在水平面上的物体所受重力就是它对水平面的压力 C.静止在水平面上的物体受到向上的弹力是因为地面发生了形变 D.只要物体发生形变就一定有弹力产生 【答案】 C 【解析】 两物体接触并发生弹性形变才会产生弹力,A、D错误.静止在水平面上的物体所受重力的施力物体是地球,而压力的施力物体是该物体,受力物体是水平面,两力不同,B错误,C正确. 【例题2】 【题干】如图所示,一轻质弹簧两端分别与竖直墙壁和物块连接,弹簧、地面水平。 A、B是物块能保持静止的位置中离墙壁最近和最远的点,A、B两点离墙壁的距离分别为x1、x2。 物块与地面的最大静摩擦力为Ff,则弹簧的劲度系数为( ) A. B. C. D. 【答案】C 【解析】 设弹簧原长为L,对物块离墙壁最近的点,k(L-x1)=Ff,对物块离墙壁最远的点,k(x2-L)=Ff,联立解得: k= ,选项C正确。 【例题3】胡克定律 【题干】竖直悬挂的弹簧下端,挂一重为4N的物体时弹簧长度为12cm;挂一重为6N的物体时弹簧长度为13cm,则弹簧原长为多少? 劲度系数为多少? 【答案】10cm 200N/m 【解析】弹簧下端悬挂物体时弹簧要伸长,由胡克定律知: 弹簧的拉力与弹簧伸长量成正比,即F=kx,其中k为劲度系数,x为弹簧伸长量,x在数值上等于弹簧伸长后总长度L减去弹簧原长L0,即x=L-L0.改变悬挂重物的重力,伸长量变化,这样可以列出两个方程,通过方程组可求出弹簧原长和劲度系数. 设弹簧的原长为L0,劲度系数为k,设挂G1=4N的重物时弹簧的长度为L1,挂G2=6N的重物时弹簧的长度为L2,则L1=12cm,L2=13cm,由胡克定律得: G1=k(L1-L0) G2=k(L2-L0) 代入数据解得: L0=10cm,k=200N/m 即弹簧原长为10cm,劲度系数为200N/m. 【例题4】 【题干】[2015·雅礼模拟]质量为mA和mB的小球与劲度系数均为k的轻弹簧L1和L2连接如图,静止时,两弹簧伸长量分别为x1和x2,则( ) A.只要mA=mB,有x1=x2 B.只要mA>mB,有x1 C.只要mA D.只要不超出弹性限度,始终有x1>x2 【答案】D 【解析】 由于kx2=mBg,kx1=(mA+mB)g,故x1>x2,所以选项D对。 【例题5】 【题干】[2015·长春质监]如图所示,小球a的质量为小球b质量的一半,分别与轻弹簧A、B和轻绳相连接并处于平衡状态。 轻弹簧A与竖直方向夹角为60°,轻弹簧A、B伸长量刚好相同,则下列说法中正确的是( ) A.轻弹簧A、B的劲度系数之比为3∶1 B.轻弹簧A、B的劲度系数之比为2∶1 C.轻绳上拉力与轻弹簧A上拉力大小之比为2∶1 D.轻绳上拉力与轻弹簧B上拉力大小之比为1∶1 【答案】A 【解析】 设两弹簧的伸长量都为x,a的质量为m,对小球b受力分析,由平衡条件可得: 弹簧B的弹力kBx=2mg,对小球a受力分析,可得: kBx+mg=kAxcos60°,联立可得: kA=3kB,选项A正确,B错误;同理轻绳上拉力F=kAxsin60°= kAx= kBx,选项C、D错误。 (三)学生自主练习 【基础】 1、[2015·黄冈模拟]如图所示,一轻质弹簧两端分别与竖直墙壁和物块连接,弹簧、地面水平。 A、B是物块能保持静止的位置中离墙壁最近和最远的点,A、B两点离墙壁的距离分别为x1、x2。 物块与地面的最大静摩擦力为Ff,则弹簧的劲度系数为( ) A. B. C. D. 【答案】C 【解析】 设弹簧原长为L,对物块离墙壁最近的点,k(L-x1)=Ff,对物块离墙壁最远的点,k(x2-L)=Ff,联立解得: k= ,选项C正确。 2、如图4甲、乙所示,弹簧测力计和细线的重力及一切摩擦不计,物重G=1N,则弹簧测力计A和B的示数分别为( ) 图4 A.1N,0 B.0,1N C.2N,1ND.1N,1N 【答案】D 【解析】 题图中弹簧测力计A、B的受力情况是一样的,都是左右两端各受1N的拉力,此时弹簧测力计的读数都是1N.D正确. 3、置于水平地面上的物体在沿水平方向的拉力作用下,仍处于静止,则物体所受静摩擦力的大小( ) A.与压力成正比 B.等于水平拉力 C.小于滑动摩擦力 D.在物体上叠放另一物体,该物体受到的静摩擦力不变 【答案】BD 【解析】 静摩擦力的产生取决于使物体产生相对运动趋势的外力的作用,也就是等于平行于接触面切线方向的外力的大小,与压力大小无关;最大静摩擦力比滑动摩擦力稍大,无法判断此时的静摩擦力是否小于滑动摩擦力,故B、D正确. 4、(摩擦力大小的计算)用20N的水平力在水平地面上拉重60N的物体时,物体恰能被拉动;物体运动后只需18N的拉力即可使物体做匀速直线运动.该物体静止在水平地面上,若用15N的水平力拉该物体,物体受到的摩擦力大小为________;若用30N的水平力拉该物体,物体受到的摩擦力大小为________;物体与地面间的动摩擦因数为________. 【答案】 15N 18N 0.3 【解析】 水平力为20N时恰能拉动物体,说明最大静摩擦力fmax=20N.若用F1=15N的力拉物体,由于F1 = =0.3. 【巩固】 1、 [2015·雅礼模拟]质量为mA和mB的小球与劲度系数均为k的轻弹簧L1和L2连接如图,静止时,两弹簧伸长量分别为x1和x2,则( ) A.只要mA=mB,有x1=x2 B.只要mA>mB,有x1 C.只要mA D.只要不超出弹性限度,始终有x1>x2 【答案】BC 【解析】 由于kx2=mBg,kx1=(mA+mB)g,故x1>x2,所以选项D对。 2、质量为2kg的物体静止在水平地面上,如图8所示,物体与地面间的动摩擦因数为0.5,最大静摩擦力与滑动摩擦力视为相等,给物体一水平推力F.(取g=10N/kg) 图8 (1)当推力大小为5N时,地面对物体的摩擦力是多大? (2)当推力大小为12N时,地面对物体的摩擦力是多大? (3)物体运动过程中突然把推力去掉,此时地面对物体的摩擦力是多大? 【答案】 (1)5N (2)10N (3)10N 【解析】 (1)5N (2)10N (3)10N 【拔高】 1、[2016·武汉调研]如图所示,小车内一根轻质弹簧沿竖直方向和一条与竖直方向成α角的细绳拴接一小球。 当小车和小球相对静止,一起在水平面上运动时,下列说法正确的是( ) A.细绳一定对小球有拉力的作用 B.轻弹簧一定对小球有弹力的作用 C.细绳不一定对小球有拉力的作用,但是轻弹簧对小球一定有弹力 D.细绳不一定对小球有拉力的作用,轻弹簧对小球也不一定有弹力 【答案】D 【解析】 若小球与小车一起匀速运动,则细绳对小球无拉力;若小球与小车有向右的加速度a=gtanα,则轻弹簧对小球无弹力,D正确。 2.一根轻弹簧的伸长量x跟所受的外力F之间的关系图像如图5所示. 图5 (1)求弹簧的劲度系数k; (2)若弹簧原长l0=60cm,当把弹簧压缩到40cm长时,需要多大的压力? (3)如果用600N的拉力拉弹簧(仍在弹性限度内,弹簧原长同上),弹簧长度l是多少? 【答案】1)1500N/m (2)300N (3)100cm 【解析】 (1)由题图可知当弹簧受外力F1=9×102N时 弹簧的伸长量x1=0.6m 故k= = =1500N/m (2)当把弹簧压缩到40cm长时,弹簧的形变量x2=(0.6-0.4)m=0.2m 弹力为F2=kx2=1500N/m×0.2m=300N 故需用300N的压力 (3)由F3=kx3, 得x3= = =0.4m=40cm 故弹簧的长度l=l0+x3=60cm+40cm=100cm 3、如图2所示,将一张A4纸(质量可忽略不计)夹在英汉字典内,书对A4纸的压力为3N,A4纸与书之间的动摩擦因数为0.4,要把A4纸从书中拉出,拉力至少应为( ) 图2 A.0.6NB.1.2N C.2.4ND.3N 【答案】C 【解析】 根据F=μFN,F=1.2N,因为纸的上下两面都要受到书对它的滑动摩擦力,所以要把纸从书中拉出,拉力至少应为2.4N,C正确. 三、教师指导下的学习小结 弹力
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- 物理 暑期 课程 弹力 胡克定律 教师版