3.2 弹力课件 2023-2024学年高一物理粤教版必修第一册(34张ppt）

(共34张PPT)
第三章 相互作用
第二节 弹力
拉弓射箭、蹦极、跳水是大家喜闻乐见的运动项目。这些项目有一个共同特点，就是都利用了物体的弹性。本节就来研究与弹性相关的问题。
拉弓射箭
形变
物理学中，把物体发生形状或体积的变化称为形变。在生活中，形变随处可见。人坐在沙发上时，会观察到沙发有了形变；用力拉橡皮筋时，能看到橡皮筋发生了形变……
观察与思考
如图所示，取一根弹簧和一块橡皮泥，分别用力压弹簧和橡皮泥。停止用力，看一看它们的形变情况有什么不同。
弹簧与橡皮泥
我们看到，用适当的力压弹簧，弹簧产生形变；停止用力，形变消失，弹簧恢复原状。用力压橡皮泥，橡皮泥产生形变；停止用力，形变保持，橡皮泥不能恢复原状。
物体受力后发生的形变有两类：
第一类，停止用力后物体能完全恢复原状的形变叫作弹性形变。物体具有恢复原状的性质称为弹性。对于弹性形变，如果外力过大，撤去外力后，物体形状不能完全恢复，我们称这种现象为超过了物体的弹性限度，如图所示。
形变超过弹性限度的弹簧不能恢复原状
第二类，停止用力后，物体不能恢复原状的形变叫作范性形变。
形变按形式可分为压缩形变、拉伸形变、弯曲形变和扭曲形变等，如图所示
(a)压缩形变 (b)拉伸形变 (c)弯曲形变 (d)扭曲形变
物体受力时会发生形变，形变有时很明显，可以用肉眼直接观察；有时很微小，需要借助仪器将其“放大”才能观察到。如图1所示的装置可以显示出硬木板的微小形变，如图2所示的装置则可以显示出玻璃瓶的微小形变。
图1 形变通过光线“放大”
图2 形变通过液柱高度变化“放大”
把微小变化放大以利于观察或测量的实验方法，叫作“微小放大法”。这是物理学中研究问题的重要方法之一。
认识弹力
人用手压弹簧，弹簧被压缩，同时手会感受到弹簧对手的作用力。
蹦极时人自身的重力使其下落，被拉伸的绳子又会对其施加一个向上的力，把人拉上去，如图所示。
蹦极运动
如图所示，被拉伸的弹簧对小车施加一个向右的力，被压缩的弹簧对小车施加一个向左的力。
(a) 被拉伸的弹簧
(b) 压缩的弹簧
上述例子说明，发生弹性形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力称为弹力。发生弹性形变的物体对与之接触的物体都会有弹力的作用。那么，如何确定弹力的作用点和方向呢
弹力的作用点可以从相互作用的物体直接接触并使物体发生形变的位置去确定。弹力的方向可以从发生弹性形变的物体恢复原状的方向上去确定。一般而言，弹力的作用点在物体与物体接触的点或表面上，弹力的方向总是指向使形变的物体恢复原状的方向。
弹力是一种普遍存在的力。通常人们所说的拉力、压力、推力、支持力都属于弹力。如图所示，一铁块放在海绵块上，铁块和海绵块都产生了形变，海绵块要恢复原状，会对铁块产生向上的弹力，这个弹力就是海绵块对铁块的支持力；铁块要恢复原状，也会对海绵块产生向下的弹力，这个弹力就是铁块对海绵块的压力。支持力和压力的方向都垂直于物体的接触面。
铁块使海绵块产生形变
演示实验
用软塑料板（倾斜放置）、橡皮筋和重物做实验，观察弹力的方向。将软塑料板和橡皮筋换成硬木板（倾斜放置）和细绳，弹力的方向由如何？
板对重物产生垂直板向上的弹力
重物对板产生垂直板向下的弹力
绳对重物产生沿绳子指向绳子收缩方向上的弹力
支持力
压力
拉力
弹力的方向：总是指向使形变的物体恢复原状的方向。
绳的弹力保护人的安全
用绳子吊着一个物体，绳子会产生形变。为了恢复原状，绳子会对物体产生一个弹力，称为拉力。拉力的方向是沿绳子指向绳子收缩的方向。蹦床游戏就是利用橡皮绳的弹力来保护人的安全的，如图所示。
例题：
（1）物体静止在斜面上，请画出斜面对物体的弹力和物体对斜面的弹力。
面与面接触，弹力垂直于接触面指向受力物体
（2）木棒一端放在水平地面上，另一端用竖直的绳子吊起，请画出地面和绳子对木棒的弹力。
绳上弹力总沿着绳子，并指向绳子收缩的方向
（3）物体静止放在墙角，接触面均光滑，请画出物体受到的弹力。
假设法
胡克定律
我国东汉时期的学者郑玄，在为《考工记》作注解时写道:“假令弓力胜三石，引之中三尺，弛其弦，以绳缓擐之，每加物一石，则张一尺。”可见，我国古代学者已注意到弹力的大小与形变的定量关系。形变越大，弹力也越大；形变消失，弹力也随之消失。
弹力与形变的定量关系，一般来讲比较复杂。而弹簧的弹力与弹簧的伸长量(或压缩量)的关系则比较简单。
实验与探究
用铁架台、下端带挂钩的不同弹簧若干、50 g 的钩码若干、刻度尺等，探究弹簧弹力的大小与伸长量之间的定量关系。
在实验操作之前，思考下列问题。
如何测量弹簧的弹力？
为所挂钩码的质量
(2)如何测量弹簧的伸长量？
注意：因弹簧自身重力的影响，在弹簧自然下垂时测量弹簧原长。
(3) 如何保证测量的准确性
如图所示，将弹簧一端固定在铁架台上，让弹簧自然下垂，用刻度尺测量并记录弹簧的原长 L0；在弹簧的挂钩上，挂上一个钩码，测量弹簧伸长后的长度，计算此时弹力的大小并将数据填入下表中。依次增加钩码，重复上述操作。
弹簧原长： cm
实验次数 钩码的重力 弹簧的长度 弹簧的伸长量 弹力的大小
1
2
3
4
8.00
10.20
2.20
0.49
0.49
12.70
4.70
0.98
0.98
15.00
7.00
1.47
1.47
17.50
9.50
1.96
1.96
实验数据记录表
实验时要注意：
本实验要求定量测量，因此要尽可能减小实验误差。标尺要坚直且紧靠指针以减小读数带来的误差。每次改变悬挂钩码个数后，要待系统静止后再读数。
(2) 实验中所提供的刻度尺分度值为 1 mm，读数应估读到下一位。
(3) 注意弹簧的弹性限度，使用时不要超过它的弹性限度。
想一想：弹簧弹力 F 的大小与弹簧的伸长量 x 有何关系？如果将实验数据在以伸长量 x 为横坐标，弹力大小 F 为纵坐标的平面直角坐标系上 (如图所示) 绘制图线，会得到怎样的图像呢 再用两条不同的弹簧重做上述实验，同样作出F-x 图像进行比较。
绘制F-x图像
1678 年，英国物理学家胡克研究后得出结论：在弹性限度内，弹簧弹力 F 的大小与弹簧的伸长量 (或压缩量) x成正比。 其表达式为
F = kx
这一结论称为胡克定律。式中k称为弹簧的劲度系数，单位是牛顿每米，符号是 N/m. 不同的弹簧，其劲度系数不同，在 F-x 图像中表示不同的斜率，如图所示。它在量值上等于弹簧伸长或压缩单位长度所需的力。生活中常说有的弹簧“硬”，有的弹簧“软”，指的就是它们的劲度系数不同。弹簧的劲度系数跟弹簧的粗细、材料、孔径、绕法等有关。
弹簧都有一定的弹性限度。当弹簧的形变超出这个限度时，胡克定律就不再适用。
不同弹簧的F-x图像
弹力的应用
弹力在生活中有着广泛的应用。例如，自动铅笔和自动圆珠笔控制笔芯伸缩、撑竿跳高等，都用到了弹力。
弹簧的弹性具有缓冲减震的作用。汽车和火车底部不仅安装有螺旋弹簧，还有弯曲的弹性钢板。当车辆运行时，利用弹簧形变产生缓冲作用，能够减小车身的震动。沙发及床垫中的弹簧、自行车车座下的弹簧等，也都起到有效的减震作用。人体内的各个关节中也有“弹簧”，当关节受压或受冲击时，关节处的软骨改变形状，使震动得到缓冲，从而起到保护关节的作用。
弹簧也可以起到自动复位的作用。自行车的左右把下面各有一根闸把，分别用来控制后闸和前闸。闸把和车轮闸皮支架上都装有扭转弹簧，分别使闸把和闸皮在刹车结束时能回到原来位置。
弹簧在各种安全阀超压保护装置中也是不可缺少的。当设备或管路内压力超过规定值时，阀门被冲开，继而排气减压：当压力降到规定值时，在弹簧作用下，阀门自动关闭，从而保证设备和管路的正常工作。
在工程应用中，选择适当的弹性材料是很有学问的。例如，机床主轴很小的形变就会影响加工精度，因此必须选择劲度系数较大的材料，保证主轴具备足够抵抗形变的能力。不同劲度系数的材料搭配利用，可以改善材料的性能。例如，混凝土坚硬，但缺乏弹性，容易在拉伸时断裂，而钢筋耐拉伸，所以常把它们结合起来使用，在混凝土发生拉伸的地方敷设钢筋，制成钢筋混凝土材料，既抗压又抗拉。
例题：一根轻弹簧在10N的拉力作用下，长度由原来的5.00cm伸长为6.00cm。则：
（1）当这根弹簧长度为4.20cm时，受到的压力有多大？
（2）当弹簧受到15N的拉力时，弹簧的长度是多少？
解：（1）由胡克定律：
（2）由胡克定律：
弹簧长度：
完成课后相关练习
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