【创新设计】2014-2015高中物理2.3弹力(第1课时)教科版必修1

2.3 弹力第一课时
[目标定位] 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．
一、物体的形变
1．形变：物体形状或体积的变化叫做形变．
2．弹性形变：撤去外力作用后物体能恢复原状的形变，称为弹性形变．
3．范性形变：撤去外力作用后物体不能复原的形变称为范性形变.
4．弹性限度：如果形变过大，超过一定的限度，撤去作用力后，物体就不能完全恢复原状，这个限度叫做弹性限度．
二、弹力
1．定义：发生弹性形变的物体由于要恢复原状，对与它接触的物体产生的作用力称为弹力．2．方向：弹力的方向总是与引起形变的作用力的方向相反．
想一想：
两个接触的物体间一定有弹力作用吗？
答案不一定弹力产生的条件是接触且发生弹性形变，两物体接触，不一定有弹性形变，所以不一定有弹力．
三、常见的弹力
1．弹力常表现为拉力、压力、支持力．
2．支撑面间的弹力
(1)支持力：由于支持面发生形变，对被支撑的物体产生的弹力．
方向：垂直于物体的接触面，指向被支持的物体．
(2)压力：由于被支撑物发生形变，对支撑物产生的弹力．
方向：垂直于物体的接触面，指向被压的物体．
3．绳的弹力：
产生：由于绳子被拉长而对被拉物体产生的弹力，通常叫拉力．
方向：沿绳指向绳收缩的方向.
想一想：
放在水平桌面上的书与桌面相互挤压，书对桌面产生的弹力F1竖直向下，常称作压力，桌面对书产生的弹力F2竖直向上，常称作支持力，如图231所示，F1与F2分别是哪个物体发生形变产生的？
图231
答案书对桌面产生的压力是由于书的形变，对桌面产生向下的弹力；而桌面对书产生的支持力是由于桌面发生形变，对书产生向上的弹力．
四、胡克定律
1．内容：在弹性限度内，弹簧弹力的大小跟弹簧伸长(或缩短)的长度成正比．
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，它的大小取决于弹簧本身的结构(材料、匝数、直径等)．
想一想：
对于同一根弹簧，被拉得越长，弹簧的弹力就越大，那么弹簧的弹力大小是否与其长度成正比？
答案不是弹簧的弹力在其弹性限度内与形变量成正比，不是与长度成正比．
一、弹性形变和弹力
1．形变：物体在外力作用下形状或体积的变化叫做形变．如果外力撤去后物体能够完全恢复原状，这种形变叫做弹性形变，不能完全恢复原状的形变叫做非弹性形变．一般情况下，若无特别说明，形变通常指的是弹性形变．
2．弹力：发生弹性形变的物体，由于要恢复原状，会对与它接触的物体产生力的作用，这种力叫做弹力．
3．产生弹力的条件：(1)两个物体直接接触；(2)接触面上发生弹性形变．
注意：任何物体受力后都会发生形变，只是有的物体发生的形变较为明显，有的物体的形变不明显，用特殊的办法才能观察到．如图232所示，柔软的弹簧受力后发生明显的形变；桌面受到压力后会向下弯曲，但是肉眼不能直接观察到，用图示的方法可观察到桌面的形变．(其中M、N是两块平面镜)．
图232
例1下列关于弹力的说法中正确的是( )
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
解析弹力产生的条件是两物体相互接触且发生弹性形变，所以D正确，A、B、C错误．答案 D
针对训练(2013～2014江苏期中)在各项体育运动中，有弹力出现的情况比较普遍，如图233所示的就是一个实例．下列说法正确的是( )
图233
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
解析跳板和运动员的脚因为都受到力的作用，所以都要发生形变；运动员受到的支持力是跳板发生形变而产生的，跳板受到的压力是运动员的脚发生形变而产生的．B、C正确．
答案BC
二、几种弹力及方向
弹力的方向与施力物体形变方向相反，作用在迫使物体发生形变的那个物体上，几种常见情况如下：
1．面与面、点与面、点与点接触——方向：垂直公共接触面，如图(1)．
图(1) 图(2)
2．轻绳——方向：沿绳收缩方向，如图(2)．
3．轻杆——方向：可沿杆也可不沿杆，如图(3)．
4．弹簧——沿弹簧形变的反方向，如图(4)．
图(3)
图(4)
注意：1.压力、支持力的方向都垂直于接触面，确定它们的方向关键是找准它们的接触面或接触点的切面.2.轻杆的弹力方向较为复杂，一般根据物体的平衡及运动状态确定杆的弹力的方向．
例2在如图234所示的各图中画出物体P受到的各接触点或接触面对它的弹力的示意图，各图中物体P均处于静止状态．
图234
解析甲属于绳的拉力，应沿绳指向绳收缩的方向，因此弹力方向沿绳向上；乙中P与斜面接触面为平面，P受到的支持力垂直于斜面向上；丙中A、B两点都是球面与平面相接触，弹力应垂直于平面，且必过球心，所以A处弹力方向水平向右，B处弹力垂直于斜面向左上方，且都过球心；丁中A点属于点与球面相接触，弹力应垂直于球面的切面斜向上，且必过球心O，B点属于点与杆相接触，弹力应垂直于杆向上；它们所受弹力的示意图如图所示．
答案见解析图
针对训练在如图235所示中，画出甲丙图球和乙图木杆受到的弹力和重力．(图中O点是物体的重心，P点是球的球心)
图235
解析点与点接触间的弹力方向与切面垂直，指向受力物体，因为受力物体是球状，所以一定过球心；受力示意图如下：
答案见解析图
三、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)的长度成正比．
2．公式：F＝kx，式中的k称为弹簧的劲度系数，单位是牛顿每米，符号是N/m.
3．对胡克定律的理解
(1)胡克定律成立的条件是：弹簧发生弹性形变，即必须在弹性限度内．
(2)F＝kx中的x是弹簧的形变量，是弹簧伸长或缩短的长度，而不是弹簧的总长度．
(3)F＝kx中的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)由F＝kx可知，弹簧上弹力的变化量ΔF与形变量的变化量Δx也成正比关系，即ΔF ＝kΔx.
例3竖直悬挂的弹簧下端，挂一重为4 N的物体时弹簧长度为12 cm；挂一重为6 N的物体时弹簧长度为13 cm，则弹簧原长为多少？劲度系数为多少？
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＝4 N的重物时弹簧的长度为L1，挂G2＝6 N的重物时弹簧的长度为L2，则L1＝12 cm，L2＝13 cm，由胡克定律得：
G1＝k(L1－L0)，G2＝k(L2－L0)
代入数据解得：L0＝10 cm，k＝200 N/m
即弹簧原长为10 cm，劲度系数为200 N/m.
答案10 cm 200 N/m
弹性形变和弹力
1．杂技演员有高超的技术，能轻松地顶接从高处落下的坛子．如图236所示，关于他顶坛
时头顶受到的压力，产生的直接原因是( )
图236
A．坛的形变
B．头的形变
C．物体受到的重力
D．人受到的重力
解析头顶受到的压力是由于坛子产生形变，对与之接触的头产生力的作用，A正确，B、C、D错误．故选A.
答案 A
2．下列关于常见的几种弹力的说法中正确的是( )
A．绳拉物体时绳对物体拉力的方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向
B．静止在水平路面上的汽车受到的支持力，是汽车轮胎发生了形变而产生的
C．水杯放在水平桌面上对桌面施加的弹力，是桌面发生微小形变而产生的
D．用细竹杆拨动水中漂浮的木块，木块受到的弹力是竹杆形变而产生的
解析绳上弹力的方向总是沿绳指向绳收缩的方向，故A正确；静止在水平路面上的汽车受到的支持力，是地面发生形变而产生的，B错误；水杯放在水平桌面上对桌面施加的弹力，是水杯发生微小形变而产生的，C错误；用细竹杆拨动水中漂浮的木块，木块受到的弹力是竹杆形变而产生的，故D正确．
答案AD
几种弹力及方向
3．按下列要求画出图237中每个小球所受弹力的示意图
图237
要求：甲斜面对球的支持力，乙墙壁对球的支持力，丙大球球面对小球的支持力．
解析各物体所受支持力如图所示
答案见解析
胡克定律
4．(2013～2014广东高一期中)关于弹簧的劲度系数k，下列说法正确的是( )
A．与弹簧所受的拉力大小有关，拉力越大，k值也越大
B．与弹簧发生的形变的大小有关，形变越大，k值越小
C．由弹簧本身决定，与弹簧所受的拉力大小及形变程度无关
D．与弹簧本身特性、所受拉力的大小、形变大小都有关
解析弹簧的劲度系数是由弹簧的长度、粗细及材料有关，是由弹簧本身的特性决定的，与所受的拉力、形变量无关，C正确．
答案 C
5．(2013～2014河北高一期中)在水平桌面上一根弹簧在弹性限度内，对其施加30 N的拉力时，其长度为20 cm，对其施加30 N压力时，其长为14 cm，试求该弹簧的自然长度和它的劲度系数．
解析设弹簧原长为L0，劲度系数为k，对其施加拉力时，由胡克定律有：F1＝k(l1－L0)对其施加压力时，有F2＝k(L0－l2)解得：L0＝17 cm，k＝1000 N/m.
答案17 cm 1000 N/m。