4.2 形变与弹力 课件 (5)

课件82张PPT。1.用手拉伸和压缩弹簧，弹簧的形状发生变化，用手捏橡皮泥，橡皮泥的形状发生变化，物体形状发生变化的原因是什么？弹簧和橡皮泥形状的变化有什么不同？
提示：弹簧发生形变的原因是弹簧受到了手的拉力或压力的作用，橡皮泥发生形变的原因是受到手的压力作用.弹簧和橡皮泥在撤去外力后，弹簧能恢复原状，发生的是弹性形变，而橡皮泥不能恢复原状，发生的是范性形变.2.力可以使物体发生形变，为什么有的形变却很难观察到呢？如何才能观察到比较微小的形变呢？
提示：物体在外力的作用下都能发生形变，只是形变的程度不同.有的形变比较明显(如弹簧的伸长或缩短)，可以直接看出；有的形变微小，需要采用特殊方法才可观察到．如利用激光反射法演示坚硬桌面的微小形变，利用细管中液面的升降显示硬玻璃瓶的形变，都是把微小形变放大以利于观察.把微小变化放大，以利于观察或测量的实验方法叫“微量放大法”，这是物理学中研究问题的一种重要方法.3.如图为处于静止状态的三个光滑球.结合弹力的定义，思考讨论以下问题：（1）甲图中，球与竖直面间有没有弹力作用？为什么？
提示：没有弹力作用.因为弹力是接触力，即弹力必须是发生在两个相互接触的物体之间，所以不接触的两个物体之间不能产生弹力.（2）乙图中球与竖直面接触，两者之间有弹力作用吗？为什么？
提示：没有弹力作用.因为如果移掉竖直面，球仍然能够保持静止，球的状态并不发生改变，故球与竖直面之间没有弹力作用.这说明球与竖直面只是相互接触，并没有相互挤压产生弹性形变.所以两个相互接触的物体之间不一定产生弹力.（3）分析三个图中球受到哪几个弹力的作用？
提示：甲图和乙图中球都只受到水平面向上的弹力作用；丙图中球受到水平面向上的弹力和竖直面向右的弹力两个力的作用.（4）这几个弹力是由于哪个物体的形变引起的?
提示：甲、乙、丙三图中球受到的水平面向上的弹力作用，是由于水平面发生向下的弹性形变，在恢复原状的过程中，对球施加了向上的弹力；丙图中球受到的竖直面向右的弹力作用，是由于在推力F的作用下，球与竖直面之间发生挤压，竖直面发生了向左的弹性形变，在恢复原状的过程中，对球施加了向右的弹力.（5）两物体间产生弹力，需具备什么样的条件？
提示：弹力必须是发生在两个相互接触的物体之间，并且两个相互接触的物体有相互的挤压或拉伸——即发生弹性形变，所以产生弹力必须同时具备以下两个条件：
①两物体相互接触；②物体发生弹性形变.1.形变的分类
（1）按形变后能否恢复原状可分为:弹性形变和范性形变.
形变后能够完全恢复原状的形变叫弹性形变.
形变后不能恢复原状的形变叫范性形变.如橡皮泥受力后的形变.
（2）按形变的外观形式可分为:拉伸形变、压缩形变、弯曲形变和扭曲形变等.2.对弹力产生的条件的理解
（1）力是物体和物体之间的相互作用，弹力也是这样，它发生在两个物体之间，而且这两个物体必须要直接接触.
（2）弹力是由形变引起的，这种形变在恢复原状的过程中，会对跟它接触的物体产生力的作用，可见这种形变是可以恢复原状的形变，是弹性形变.
因此产生弹力的条件不仅要满足直接接触，而且还要满足相互挤压或拉伸等，即发生弹性形变. 【知识归纳】弹力产生的原因
相互作用的两个物体，由于彼此挤压或拉伸，而发生了弹性形变，在恢复原状的过程中，都会对彼此产生弹力的作用.若以其中的一个物体为研究对象（受力物体），它所受到的弹力是由于另一个物体（施力物体）发生弹性形变，在恢复原状的过程中产生的.弹力的施力物体是发生弹性形变的物体.典例1（2011·哈尔滨高一检测）如图所示，下列四个图中，a、b两小球间一定有弹力作用的是（ ）【规范解答】选B.对于A、C中的a、b两球，如果把a球或b球去掉，另一个球的状态均可保持不变，所以a、b两球之间无弹力；对于B中，若去掉a球或b球，另一个球的悬线方向会发生改变，故a、b两球之间一定有弹力；对于D中，若去掉a球，如果b球的状态保持不变，则a、b两球之间无弹力，如果b球的状态发生变化，则a、b间有弹力作用.所以选B.弹力有无的判断方法
(1)直接法：对于形变效果明显的情况，可由形变情况直接判断弹力的存在与否，如弹簧、橡皮筋等产生弹力的情况.
(2)假设法：就是假设对与研究对象接触的物体施加了弹力，画出假设状态下的受力图，判断受力情况与物体的状态是否矛盾.若矛盾，说明两者之间无弹力；若不矛盾，说明两者之间有弹力.(3)撤离法：就是想象把与研究对象接触的物体撤离，看研究对象的状态是否发生改变.若改变，说明有弹力；若不改变，则无弹力. 【变式备选】如图所示，一小球用两根轻绳悬挂于天花板上，球静止，绳1倾斜，绳2恰好竖直，则小球所受的作用力有（ ）
A.1个 B.2个 C.3个 D.4个【解析】选B.在判断绳1和绳2是否有拉力时，可用撤离法，即分别撤去轻绳1和轻绳2，看小球的状态是否变化，如果把一条轻绳去掉后，小球可以保持原来的状态不变，则该绳上无拉力；若小球的状态发生变化，则该绳上有拉力.经分析知,绳1对小球无拉力作用，小球受到重力和绳2对小球的拉力而处于平衡状态，即小球受到两个力的作用，故B正确.确定弹力方向的方法
（1）根据物体的形变方向判断：弹力方向与施力物体形变方向相反，作用在迫使这个物体发生形变的那个物体上.
①轻绳的弹力方向沿绳收缩的方向，离开受力物体；
②面与面、点与面接触时，弹力方向垂直于面（若是曲面则垂直于切面），且指向受力物体.③球面与球面的弹力沿半径方向，且指向受力物体.
④弹簧两端的弹力方向与弹簧中心轴线重合，指向弹簧恢复原状的方向；
⑤轻杆的弹力可沿杆的方向，也可不沿杆的方向.
（2）根据物体的运动情况，结合物体的运动状态，利用二力平衡判断弹力的方向.1.如图所示,棒、球、桌子、物块m均处于静止状态.
思考讨论以下问题： （1）画出棒、球、桌面、物块m所受弹力的示意图.
提示：（2）结合上图，完成下面的表格，并尝试分析，弹力方向和形变方向及形变恢复的方向的关系（填“相同”或“相反”）.2.从上述探究过程中总结我们在判断弹力方向时应遵循的基本思路.
提示：在判断弹力方向时常常按如下思路分析:
（1）确定受到弹力的物体.
（2）确定施力物体或受力物体形变的方向.
（3）确定弹力的方向.1.常见的弹力方向
（1）支持力的方向垂直于接触面，指向被支持的物体.
（2）压力的方向垂直于接触面，指向被压的物体.
（3）绳上拉力的方向沿着绳，指向绳收缩的方向.
（4）弹簧上的弹力沿着弹簧，指向弹簧恢复原长的方向.
2.弹力方向与形变方向的关系
弹力的方向总是与施力物体的形变方向相反，与受力物体的形变方向相同.典例2 在如图所示的图中画出物体P受到的各接触点或面对它的弹力的示意图，其中甲、乙、丁中物体P处于静止状态，丙中物体P（即球）在水平面上匀速滚动.【规范解答】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，必过球心O，B点属于点与杆相接触，弹力应垂直于杆向上；丙中小球P不管运动与否，都是属于平面与球面相接触，弹力应垂直于平面，且过球心，即向上；丁中属于杆的弹力，小球受到重力和杆的弹力，处于二力平衡状态，故弹力方向竖直向上.
它们所受弹力的示意图如图所示. 【变式备选】(2011·西安高一检测)
如图，球A在斜面上，被竖直挡板挡住
而处于静止状态，关于球A所受的弹力，
以下说法正确的是（ ）
A.球A仅受一个弹力作用，弹力的方向垂直斜面向上
B.球A受两个弹力作用，一个水平向左，一个垂直斜面向下
C.球A受两个弹力作用，一个水平向右，一个垂直斜面向上
D.球A受三个弹力作用，一个水平向右，一个垂直斜面向上，一个竖直向下【解析】选C.球A受的重力竖直向下，对竖直挡板和斜面都有挤压.斜面给它一个支持力，垂直斜面向上；挡板给它一个支持力，水平向右，故选项C正确.实验探究：利用如图所示的装置，用悬挂法探究弹力和弹簧伸长的关系，进行实验并探究讨论以下问题：1.实验中要测量弹簧的原长L0，测量
弹簧的原长时是将弹簧平放在桌面上
还是悬挂起来？
提示：我们的实验目的是研究弹簧的
弹力与弹簧伸长量的定量关系，要想
确定弹簧伸长量，就必须测量弹簧的原长(自然长度)L0和弹簧的现长L,则弹簧的伸长量x=L-L0.由于弹簧的自身重力会影响弹簧的长度，所以测量弹簧的原长时应将其悬挂起来后测量.2.用如图所示的装置进行实验并完成表格.根据所得的数据，你能得到什么结论？
提示:根据表中数据可得,弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比.3.在该实验中，如何用图象描述弹簧
的弹力和伸长量的关系？该图象有何
特点？说明弹力和伸长量成什么关系？
图象斜率的意义是什么？
提示：（1）建立坐标系，以纵坐标表示弹力F，以横坐标表示弹簧的伸长量x，在坐标系中描出实验所测得的各组（x，F）对应的点，用平滑的曲线连接起来，根据实验所得的图线，就可探知弹力与伸长量间的关系．如图所示.
（2）所得图象为过原点的倾斜直线，说明弹簧的弹力与弹簧的伸长量成正比.
（3）斜率表示弹簧的劲度系数.4.根据胡克定律的表达式F=kx得 能否说劲度系数k与F成正比，与x成反比？
提示:不能. 只是劲度系数的计算式，并非决定式.劲度系数由弹簧本身的性质决定，如弹簧的材料、长短、粗细等，与弹力和形变量无关，即使弹簧没有发生形变，弹簧上没有弹力，该弹簧的劲度系数也不变.实验中的注意事项
在探究弹力和弹簧伸长的关系时应注意的问题：
(1)所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度.
（2)测弹簧长度时，一定要在弹簧竖直悬挂且处于平衡状态时测量，刻度尺要保持竖直并靠近弹簧，以减小误差.（3）描点画线时，所描的点不一定都落在一条直线上，但应注意尽可能使各点均匀分布在图线的两侧.
（4）记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位.典例3（2010·新课标全国卷）一根轻质弹簧一端固定，用大小为F1的力压弹簧的另一端，平衡时长度为l1；改用大小为F2的力拉弹簧，平衡时长度为l2.弹簧的拉伸或压缩均在弹性限度内，该弹簧的劲度系数为（ ）
A. B.
C. D.解答本题时应明确以下三点：
（1）弹簧的形变量x是弹簧相比原长时长度的变化量.
（2）弹簧伸长时，x等于弹簧的长度减去原长.
（3）弹簧压缩时，x等于弹簧的原长减去现长.【规范解答】选C.设弹簧原长为l0.由胡克定律F=kx，得
压弹簧时，F1=k(l0-l1) ①
拉弹簧时，F2=k(l2-l0) ②
由①②解得：
故C正确. 【变式备选】(2011·宁德高一检测)
如图所示，两根相同的轻弹簧S1、S2，劲度
系数皆为k=4×102 N/m，悬挂的重物的质量
分别为m1=2 kg和m2=4 kg.取g=10 m/s2，
则平衡时弹簧S1、S2的伸长量分别为（ ）
A.5 cm，10 cm B.10 cm，5 cm
C.15 cm，10 cm D.10 cm，15 cm【解析】选C.设S1的伸长量为x1，S2的伸长量为x2，由
胡克定律F=kx，对弹簧S1得(m1+m2)g=kx1,
解得
对弹簧S2得，m2g=kx2，
解得
故C正确.典例4 “蹦极”是一种极限运动，人自身所受的重力使其自由下落，被拉伸的蹦极绳又会产生向上的力，把人拉上去，然后人再下落.正是在这上上下下的振荡中，蹦极者体会到惊心动魄的刺激，如图所示.设一次蹦极中所用的橡皮绳原长为15 m.质量为50 kg的蹦极者运动
到最低点时橡皮绳长为26.5 m，当蹦极者停
止振荡时橡皮绳长为17.5 m，则蹦极者运动
到最低点时受到橡皮绳的拉力为多大？
（g取10 m/s2） 【思路点拨】
解答本题时应明确以下两点：
（1）蹦极者停止振荡时处于二力平衡状态,可求得k.
（2）利用胡克定律可求得橡皮绳的拉力.【解析】当蹦极者停止振荡时，蹦极者处于二力平衡状
态，由二力平衡得F1=mg=50×10 N=500 N
此时橡皮绳的伸长量为x1=17.5 m-15 m=2.5 m
又由胡克定律得F1=kx1
则橡皮绳的劲度系数为
当蹦极者运动到最低点时橡皮绳的拉力为
答案：2 300 N1.据悉，我国新型多用途战机J-20歼击机
已于2011年1月首飞成功.在战机J-20歼击
机从滑行道起飞的过程中，战机与滑行道
之间存在弹力的是（ ）
A.战机J-20歼击机静止在机场的滑行道上时
B.战机J-20歼击机沿机场的滑行道滑行时
C.战机J-20歼击机离开机场的滑行道的瞬间
D.战机J-20歼击机在机场的滑行道上方飞行时【解析】选A、B.弹力的产生有两个条件：直接接触和发生弹性形变.选项A、B符合这两个条件，选项C不满足发生弹性形变的条件，选项D两个条件都不满足.2.玩具汽车停在模型桥面上，
如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．桥面受向下的弹力，是因为
桥梁发生了弹性形变
B．汽车没有发生形变，所以汽车不受弹力
C．汽车受向上的弹力，是因为桥梁发生了弹性形变
D．汽车受向上的弹力，是因为汽车发生了形变【解析】选C. 弹力是物体发生形变对与其接触的物体施加的力，汽车受到桥梁向上的弹力,是由桥梁发生弹性形变产生的,桥面受到向下的弹力,是由汽车发生弹性形变产生的,故C正确,A、B、D错误.3.（2011·连云港高一检测）关于弹力的方向，下列说法中正确的是（ ）
A.地面上的汽车对地面的压力垂直于地面指向汽车
B.支持力的方向总是垂直于支持面而指向支持物体
C.绳对物体拉力的方向不一定总是沿着绳
D.绳对物体的拉力的方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向【解析】选D.压力、支持力的方向垂直于接触面指向受力物体.地面上的汽车对地面的压力作用于地面上，应是垂直于地面指向地面的，A错误；支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体，B错误；绳对物体的拉力的方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向，D正确，C错误.4.关于胡克定律，下列说法中正确的是（ ）
A.由F=kx可知，弹力F的大小与弹簧的长度成正比
B.由 可知，弹簧的劲度系数k与弹力F成正比，与弹
簧的长度改变量x成反比
C.弹簧的劲度系数k是由弹簧本身的因素决定的，与弹力F
和弹簧形变量x的大小无关
D.弹簧的劲度系数在数值上等于弹簧伸长（或缩短）单位
长度时弹力的大小【解析】选C、D.对于确定的弹簧而言，在弹性限度内，弹簧弹力F的大小与弹簧的形变量x成正比，A错误；弹簧的劲度系数k由弹簧本身的因素决定，与弹力F的大小和形变量x的大小无关，k在数值上等于弹簧伸长（或缩短）单位长度时弹力的大小，B错误，C、D正确.5. 健身房用的拉力器的弹簧，每根长0.5 m，在拉力器上装上一根这样的弹簧，把它拉到1.0 m长时，需拉力100 N.若在拉力器上并列装了5根这样的弹簧，把它们都拉到
1.7 m长时，需要多大的拉力？（弹簧均在弹性限度内）【解析】由胡克定律F=kx得：
若5根弹簧并列，则每根弹簧受力相同，
可得每根弹簧受到的拉力为：
F=k(x2-x0)=200×(1.7-0.5)N=240 N
则需加的拉力为5根弹簧拉力的总和即
F拉=5F=1 200 N
答案：1 200 N一、选择题（本大题共5小题，每小题5分，共25分）
1．关于弹性形变的概念，下列说法中正确的是（ ）
A．物体形状的改变叫弹性形变
B．物体在外力停止作用后的形变，叫弹性形变
C．一根铁杆用力弯折后的形变就是弹性形变
D．物体在外力停止作用后，能够恢复原来形状的形变，叫弹性形变【解析】选D.物体形状的改变叫形变，故A错；物体在外力停止作用后，能够恢复原状的形变，叫弹性形变，故B错，D正确；物体在外力停止作用后，不能恢复原状的形变，叫范性形变，故C错.2.探究弹力和弹簧伸长关系时，在弹性限度内，悬挂15 N重物时，弹簧长度为0.16 m；悬挂20 N重物时，弹簧长度为0.18 m；则弹簧的原长L和劲度系数k分别为（ ）
A.L=0.02 m k=500 N/m
B.L=0.10 m k=500 N/m
C.L=0.02 m k=250 N/m
D.L=0.10 m k=250 N/m【解析】选D.根据胡克定律,15=k（0.16-L），20=k(0.18
-L),解以上两式得L=0.10 m,k=250 N/m,D项正确.3.在半球形光滑容器内放置一细杆m，细杆与容器的接触点分别为A、B两点，如图所示，容器上A、B两点对细杆m的作用力的方向分别为（ ）
A.均竖直向上
B.均指向球心
C.A点处的弹力指向球心O，B点处的弹力竖直向上
D.A点处的弹力指向球心O，B点处的弹力垂直于细杆向上【解析】选D.支持力、压力的方向垂直于接触面或其切面.在A点，杆的端点跟球面接触，弹力的方向垂直于该处球面的切面，指向球心；在B点，容器的边缘跟杆的侧面接触，该处的支持力应垂直于杆向上，D正确，A、B、C错误.4.（2011·浏阳高一检测）如图中是三个质量均不计的完
全相同的弹簧测力计，图中各小球的质量相等，且不计一
切摩擦，平衡时各弹簧测力计的示数分别为F1、F2、F3，则
（ ）
A．F1=F2=F3 B.F1=F2＜F3
C. F1=F3＞F2 D.F3＞F1＞F2【解析】选A.对甲图中下端悬挂的小球、乙图中小球和丙图中的任一小球进行受力分析，小球都受到重力和弹簧的拉力作用，根据二力平衡，可知F1、F2、F3的大小都等于小球的重力大小，故A正确.5.（2011·苏州高一检测）如图所示，一根弹性杆的一端固定在倾角为30°的斜面上，杆的另一端固定一个重为4 N的小球，小球处于静止状态时，弹性杆对小球的弹力
（ ）
A.大小为4 N，方向平行于斜面向上
B.大小为2 N，方向平行于斜面向上
C.大小为4 N，方向垂直于斜面向上
D.大小为4 N，方向竖直向上【解析】选D.小球受重力和杆的弹力两个力的作用，且重力的方向竖直向下，由于小球处于静止状态，根据二力平衡条件可知，弹力大小与重力大小相等，方向相反，故弹力大小为4 N，方向竖直向上，D正确. 【规律方法】弹力大小的计算
（1）弹簧弹力的大小：应用胡克定律F=kx求解.
①公式中的x是弹簧的形变量（可能是拉伸量，也可能为压缩量），设弹簧原长为l0，形变后的长度为l，则x=|l-l0|.
②k为弹簧的劲度系数，是一个反映弹簧形变难易程度的物理量，由弹簧本身的性质决定，即由材料、长度、弹簧丝粗细、截面积、匝数等决定.
(2)非弹簧类物体的弹力大小：一般借助物体所处的状态进行判断，对于静止或匀速直线运动的物体，可用二力平衡知识求解.二、非选择题（本大题共3小题，共25分，要有必要的文字叙述和解题步骤）
6.（6分） 在做“探究弹力与弹簧伸长量的关系”实验时，将一轻弹簧竖直悬挂，使其自然下垂，测出其自然长度，然后在其下端悬挂钩码，测出弹簧的总长度，改变钩码个数，测出几组数据，作出钩码重力F与弹簧的总长度L的关系图线，如图所示.（实验过程是在弹簧的弹性限度内进行的）.由图可知该弹簧的自然长度为_________cm；该弹簧的劲度系数为_________N/m.【解析】当弹簧下端不挂钩码即F=0时，弹簧的长度为自然
长度，由图象得弹簧的自然长度为10 cm；图线的斜率表示
弹簧的劲度系数，根据图象得
答案：10 50.07.（9分）画出图中物体A所受弹力的示意图.【解析】如图所示:
答案：见解析8.（10分）测得一弹簧测力计3 N和5 N两刻度线之间的距离为2.5 cm，求：
（1）该弹簧测力计3 N、5 N刻度线与0刻度线之间的距离.
（2）该弹簧测力计所用弹簧的劲度系数.【解析】（1）弹簧测力计的刻度值应与该刻度线到0刻度
线的距离成正比.设3 N、5 N刻度线到0刻度线的距离分别
为x1、x2，弹簧劲度系数为k，根据胡克定律F=kx可得
由以上两式解得x1=3.75 cm，x2=6.25 cm.
（2）由F1=kx1可得
答案：（1）3.75 cm 6.25 cm （2）80 N/m