3.3《力的等效和替代》

3.3 力的等效和替代
【学习目标】
【知识和技能】
1．知道力的图示和力的示意图。

2．知道什么是力的等效与力的替代。

3、学会寻找等效力。

【过程和方法】
1．类比力的等效与替代，自己分析、讨论，培养自己的自学能力．
2．运用数学工具(图象)的能力．
【情感、态度和价值观】
教学中重视严谨的科学推理过程，培养脚踏实地的作风，形成良好的学习习惯
【学习重点】
力的图示和力的示意图，力的等效与替代
【知识要点】
力的作用效果：
（1）、静力的效应：①物体的形变。

②物体的平衡。

（2）、动力的效应（本章暂不涉及）：①瞬时效应产生加速度。

牛顿第二定律。

②时间上的累积效应、冲量、动量定理。

③空间上的累积效应、功、动能定理。

3、力的三要素与力的图示
影响力的作用效果的是力的大小，方向和作用点这三个因素，称为“力的三要素”。

我们用有向线段可以把极抽象的力具体化：有向线段的长短表示力的大小，有向线段的指向表示力的方向，有向线段的箭头或箭尾表示力的作用点。

力的方向所沿的直线叫力的作用线。

这种表示力的方法，叫做力的图示。

4、力的分类：
（1）、按力的性质分类，如重力，弹力，摩擦力等；
（2）、按力的效果分类，如拉力，压力，支持力，动力，阻力等。

效果不同的力性质可以相同；性质不同的力，效果可以相同。

【问题探究】
给你两个量程为5N的轻弹簧秤，一个带有小钉子的平板，几张白纸，将橡皮筋结在小钉子上，白纸平铺在木板上，探究下面两个问题：
1．用一个弹簧秤将橡皮筋拉到某点O，用两个弹簧秤同时以不同的角度拉橡皮筋是否也能将橡皮筋拉到O点？即两种方法的效果是否可以相同？
2．用一个弹簧秤将橡皮筋拉到某点O的作用力与用两个弹簧秤同时以不同的角度拉橡皮筋到O点的作用力有什么关系？
解析：1．用一个弹簧秤将橡皮筋拉到某点O，用两个弹簧秤同时以不同的角度拉橡皮筋也能将橡皮筋拉到O点．
2．记下用一个弹簧秤拉到O点时的力的大小和方向，并用力的图示法将这个力表示出来，并计为F；记下用两个弹簧秤同时以不同的角度拉到O点时两弹簧秤的示数及方向，
并用力的图示法将这两个力表示出来，并计为F1、F2．
3．多次重复步骤2，发现有一个共同的特点：F是以F1、F2为邻边构成的平行四边形的对角线．
点评：试题从问题情景出发，让学生通过实验探究真切地认识到力是可以等效和替代的，同时让学生从感性上认识分力和合力，并能初步发现合力和分力的关系，为下一节的学习打下基础，也能够培养学生探究和发现问题的能力．该题也给教材“实践与拓展”栏目中问题的解决提供了思路．
【典型例题】
例：关于力的下列说法正确的是：（）
A、只有相互接触的物体，才有力的作用。

B、任何物体受到力的作用后运动状态都将发生改变。

C、影响力的作用效果的因素有力的大小，方向和作用点。

D、力是物体对物体的作用，所以施力物体也是受力物体。

解析：相互接触的物体，不一定是有力的作用，如两物体轻触但不相互挤压。

而有力的作用的物体不一定是直接接触。

力的作用效果是使物体发生形变或改变物体的运动状态，两者不一定同时发生，但两者必居其一，物体受到平衡力，运动状态不改变。

力的作用是相互的所以施力一物体对其它物体施加力的同时，一定受到其他物体对它的作用力，所以施力物体同是也是受力物体,所以C、D两项正确。

【规律总结】
本节研究问题的方法主要是通过实验探究，利用等效替代的科学思维方法，并结合力的图示法来研究分力和合力的关系，让学生通过实验寻找合力与分力的关系．
通过实验探究，发现两个力的合力不一定比每个分力大，随着它们夹角的增加，合力逐渐变小．合力最大为两个力同方向时两力大小之和，最小为两个力反方向时两力大小之差．【当堂反馈】
1.关于合力的下列叙述中正确的是 ( )
A．合力的性质同原来的两个力的性质相同 B．合力是原来几个力的等效代替
C．合力也有施力物体与受力物体 D．合力随两个力之间夹角的增大而减小
2.两个共点力的大小分别为F
l =15 N，F
2
=9N，它们的合力可能为 ( )
A．9 N B．25 N C．5 N D．21 N
3.从匀速上升的气球上抛出一个重为G的物体，若气球所受的浮力f不变，则抛出物体后气球所受的合力大小为( )
A．f B．G C．0 D f+G：
4.如图3-22所示，是两个共点力的合力，跟它的两个分力之间的夹角θ的关系图象，则这两个力的大小分别是 ( )
A．1 N和4 N B．2 N和3 N C．1 N和5 N D．2 N和4 N[来源:学科网]
5．如图3—23所示，A、B分别为甲、乙两位同学在做本实验时得到的结果，可以断定其中___________同学的实验结果比较符合实验事实，理由是________________
6．将橡皮筋的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计，沿着两个不同的方向拉弹簧测力计．当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图3-24所示，这时弹簧测力计的读数可从图中读出：
(1)由图中可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为______N和________N(只须读到0.1 N)．
(2)在本题的虚线方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力．
【参考答案】
1、B
2、AD
3、B
4、B
5、甲 F‘与橡皮筋在同一条直线上
6.2.5 4.0
【
【阅读资料】
科学的思维方法——等效替代法
等效替代就是相互替代的效果相同．利用等效法，不仅可以使非理想模型变为理想模型，使复杂问题变成简单问题，而且可以使感性认识上升到理性认识，使一般理性认识升华到更深层次．
用“等效法”来研究问题，如我们初中学过的阿基米德原理，阿基米德巧妙的用溢流杯把溢出的水收集起来再倒入阿基米德金属桶，得到物体所受到的浮力等于物体排开水的重力，这就是实验中常用的一种“等效替代法”．
在中学物理中，合力与分力、合运动与分运动、平均速度、重心、热功当量、交流电的平均值和有效值；几何光学中的三条特殊光线、虚物等，都是根据等效思想引入的．如果在
物理概念的理解、解答物理习题过程中运用等效法，使学生明确在分析和解答物理问题时，一般需要将生活语言转化为物理语言，精炼成数学语言，需要将复杂的问题通过等效法，提炼、简化，找出问题的本质，使学生在学习中用等效法开创性地解决问题．我们在中学阶段即将学习的重力场（引力场）、电场和磁场，如果空间同时存在多个场，为研究方便我们常把几个场合成，用一个场等效替代．例如为了形象描述电场，总是画出假想的电场线，如果空间有多个电荷，我们总是用一个合电场等效代替这些电荷的电场，所画的电场线就是这个合电场的电场线．由于重力场和匀强电场性质很相似，所以有时空间同时存在一个匀强电场和一个重力场，我们也可用一个场来等效代替，但这个场的性质就无法讲了，不妨暂且称它为“等效重力场”吧!当然由于放入电荷的电性、电荷量不同，等效重力场强度也不同．例如一单摆摆长为l，摆球质量为m，带正电且电荷量为q，放在竖直向下的匀强电场中，场强为E，求此单摆做简谐运动时的周期．这里同时存在两个场，摆球在摆动过程中受到两个竖直向下的力：重力和电场力，它们的沿切线方向的合力都提供回复力，相当于重力增大了，所以我们用一个等效重力场代替．
再如交流电的有效值，就是用交流电与直流电在热效应里产生的“等效作用”来确定的．物理实验中常用的“替代法”也是一种“等效法”，不少学生掌握了这种实验方法，就能克服实验仪器的不精确或实验原理的不完善带来的系统误差．如有的学生“用一架不等臂天平秤物体质量”除通常用“复称法”测量外，还自己设计一种“替代法”测量，他的方法是：把要称的物体放在天平的一只盘上，在另一盘加沙粒，直到天平平衡为止，然后把物体拿下，代之以砝码，使天平再次平衡（另一盘砂粒不能变动），这时盘上砝码质量就是等于物体的质量．
总之，等效替代法是物理学中研究问题的一种重要方法，同学们要通过一些实例，开动脑筋，认真领会。