重力 基本相互作用

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第三章 相互作用
3.1 重力 基本相互作用
★教学目标
1 知识与技能
1. 了解力的概念及其测量。
2. 知道力的作用效果。
3. 知道力的三要素，会画力的图示和力的示意图。
4. 知道重力的方向以及重力的大小与物体质量的关系。
5. 知道重力产生的原因及其定义。
6. 知道重心的含义及其确定方法。
7. 了解四种相互作用。
2 过程与方法
1. 通过探究活动体验力的作用效果与力的大小、方向、作用点三个要素有关。
2. 通过“重心”概念的引入和重心的确定渗透“等效代换”和微元法的物理学方法。
3. 通过理论探究物体的重心，学会用数学的方法解决物理问题。
4. 通过实验探究物体的重心，理解悬挂法确定物体重心的原理。
3 情感态度与价值观
1. 通过实例激发学生对科学的求知欲、激励探索与创新的意识。
2. 了解四种基本相互作用，激发探索自然的兴趣，大统一论。
★教学重点
1. 力的特性（物质性、相互性、同时性、矢量性）的理解和力的图示法与力的示意图。
2. 重力和重心的理解。
★教学难点
1. 力的概念。
2. 重心概念的理解和重心的确定。
★教学过程
课的引入：
下面请同学们看几个视频：在足球运动场上，A运动员起脚踢球，球飞起来了，球由静止到运动，B运动员用头顶球，球的运动方向发生的改变，最后守门员C将球接住，球由运动到静止。画示意图如下：
物体的运动状态为什么会发生改变呢？
因为有其它物体对它作用了，比如头、脚等。从日常生活经验来看，也能理解物体运动状态的改变是因为其它物体对它有作用。
师生游戏：拍气球。
学生交流、补充、归纳得出结论：
如果一个物体发生了形变或运动状态发生改变，这个物体受到了力的作用。
新课教学
一．力
1.力是物体间的相互作用，力不能离开物体而存在。
不接触的物体也可产生力的作用：磁铁间相互作用，如图①。
物体受力是相互的，受力物体和施力物体同时存在。
作用力与反作用力同时发生、同时消失。
举例：不小心两人碰头，谁头先痛？如图②。
发生交通事故时，哪一方先形变？如图③。
又如你在一条小船上推另一条小船，那么两条船都会后退。
或者拉另一条小船，两条小船都会前进。
总结：力是物体产生形变或运动状态改变的原因。
讨论题：就请大家来判断下面几句话的正误。
①磁铁吸引铁钉，铁钉不会吸引磁铁。
②武术运动员在训练时，用力冲拳和别具踢腿，并没有受力物体，所以力可以没有受力物体。
③有的物体自己就有力，如爆炸的手榴弹，所以这个力可以没有施力物体。
④只有有生命或有动力的物体才会施力，无生命或无动力的物体不能施力，只能受力。
⑤射出枪口的子弹能打到很远的地方，是因为子弹离开枪口后受到一个推力作用。
⑥“风吹草动”草受到了力的作用但没有施力物体。
⑦物体间必须相互接触才有力的作用。
⑧任何一个物体，一定既是施力物体又是受力物体。
物体之间的作用方式有：推、拉、挤、压、扭、折、吸引、排斥、碰撞、打击等。不同的作用方式产生的力的性质不同。
力的特点：
⑴物质性：力是物体间的相互作用。有力的必定有施力物体和受力物体。
⑵相互性和同时性：物体间的作用是相互的。A对B作用的同时B也对A作用，这两个力等大反向且在一条直线上。
2.力的测量和单位：
力的大小可以用测力计（弹簧秤）测量。
力的国际单位是牛顿，简称牛，符号是N。
3.力的三要素：
力的表示方法——力的图示：准确描述力的三要素。
①确定标度：根据力的大小（即单位长度所表示的力的大小）选择合适的标度。
②用有向线段（带箭头的线段）表示力：线段的长短表示力的大小，箭头的指向表示力的方向。
③有向线段的箭头或箭尾：表示力的作用点。
讨论并证明：当力的大小、方向、作用点不同时力的作用效果不同。你能以开教室的门为例，分别证明当力的大小、方向、作用点不同时力的作用效果不同吗？
Ⅰ.当力的大小不同时，力的作用效果不同。当力的作用点、方向均不变时，力越大，门越好开。
Ⅱ.当力的大小、方向不变时，作用点离门轴近时开门费力，离门轴远时，开门容易。
Ⅲ.当力的大小、作用点相同时，沿垂直于门面的方向开门最省力，沿门面的方向开门是开不了门的。
结论：力是矢量，既有大小，又有方向。力跟位移不同的地方是它还有作用点，我们用箭头（或箭尾）表示力的作用点。
4.力的图示和力的示意图
例题：如右图用力的图示表示作用在小车上斜向上80N的的拉力。
解：先选好标度，再按力的图示
画出80N斜向上的拉力如图①所示。
思考：
1.再画出作用在小车上80N水平向右的推力。
解：如图②所示。
2.画出人所受到的绳的拉力。
小结：力表示方法从精确要求上讲有两种：①力的图示（力的大小要求标度精确）按力的三要素要求表示力；②力的示意图（力的大小不要求标度精确）只需画出力的作用点和方向，对大小没有精确要求。
二．重力
我们知道，地球表面的物体均受到地球的吸引，抛向高空的物体最终落回地面；尽管由于地球自转，但海水不会洒向天空等均是因为受到地球的吸引。我们把由于地球的吸引而受到的力叫做重力。
1.重力定义：由于地球的吸引而使物体受到的力叫做重力。重力的施力物体是地球。
注意：①物体所受重力与地球对物体的吸引力是两个不同概念一般情况下不相等。②同一物体在地球上不同纬度的地方所受的重力也稍有不同。
下面我们就从力的三要素来研究重力。
2.重力的大小：物体受到的重力G与物体质量m的关系是
g就是前面学过的自由落体运动加速度。
①纬度越高，g越大；②同一纬度，高度越大，g越小。
思考：同一物体分别放在北京和上海，哪个地方物体的重力大？
测量：测力计或弹簧秤。但必须让测力计与物体保持静止或匀速直线运动（为什么？）。
演示：物体自由下落，物体是在重力作用下下落，于是得到重力的方向。即
3.重力的方向：竖直向下的方向
竖直向下或垂直于水平面（不能讲“垂直向下”、“指向地心”）
4.重力的作用点：重心
思考与练习：请一位同学到黑板上画出一个重10N的均匀小球所受重力的示意图。
学生作图，注意看学生有没有搞清示意图和图示法的区别，注意看学生把重力的作用点画在什么地方，大多数同学会根据初中所学把重力作用点画在球心。
教师分析：从同学们的解题结果发现大家都把重力的作用点画在球心，那就是说你们认为球心受到了重力作用，那我想问一下，球的边缘受到重力吗？
学生思考并讨论：
生：从重力概念来看，应该受到重力作用。因为只要有质量就会受到重力，那应该是物体各个部分都会受到重力作用。
师：那你们为什么这样作图呢？
生：我们初中学习时就是这样画的，难道初中学习错了？
师：你们初中学习的知识肯定没有错，只是初中只给了你们结论，却没有告诉你们为什么。今天的学习中我们就一起来了解为什么物体各部分均受到重力，但作图时重力作用点却画在球心。
师：下面我们采用微元法来讨论物体受重力的情况。
物体各部分都要受到重力的作用，将物体分成无数个部分，每个部分都受到重力的作用。大致如图①：
实验证明{若用10N的力将一个10N的物体提起并处于静止状态，
则竖直向上的10N应该与很多竖直向下的小重力抵消，而根据二力平衡，
竖直向上的10N应该与作用在同一物体上拉力反向延长线上的某点（重
心）的等大反向的力抵消，从这一点知道与真实重力等效的一个力大小为mg，方向竖直向下，但等效作用点还没有确定，可以用多次悬挂法得到，所以一个作用于重心的大小为mg竖直向下的力G与许多小重力共同作用于物体是等效的。可以举例铅笔平衡的例子，手指放在什么位置平衡，则重心就在这个位置}以下两个图是等效的：
重心定义：物体各部分都受到重力作用，从效果上看我们可以认为各部分受到的重力集中于一点，这一点叫做重心。以后对物体进行受力分析时，对于物体受到的重力我们用作用于重心的、大小为mg竖直向下的等效力来代替。即上面的右图。
重心的确定：
①质量分布均匀的物体，重心只跟物体的形状有关，若物体的形状规则，则重心在几何中心。
例如，均匀细直棒的重心在棒的中点，均匀球体的重心在球心，均匀圆柱的重心在轴线的中点。如下图所示。
理论探究：由均匀细直棒的重心在棒的中点，探究质量分布均
匀的三角形薄板的重心位置。
方法：微元法，探究步骤和方法如下图所示。
结论：质量分布均匀的三角形薄板的重心位置为其三条中线的交点。
思考：如果将均匀球体从中心挖去一个小球形成一个球壳，则其重心又怎样？如篮球。
其它各种情况如下图所示。
总结
a.重心不是重力的真实作用点，重力的作用点遍布整个物体，重心是重力的等效作用点或物体各部分所受重力的合力的作用点。
b.重心不是物体上最重的一点，但可以把物体的质量看成都集中在重心这一点。
c.重心的位置可以不在物体上。
例：关于重心说法正确的是（D）
A．重心就是物体上最重的一点
B．直铁丝弯曲后，重心便不在中点，但一定还在铁丝上。
C．重心就是物体的几何中心。
D．重心是重力的等效作用点。
②质量分布不均匀的物体，重心的位置除了跟物体的形状有关外，还与物体内质量分布有关。
例如：载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化如下图所示。起重机和提升物整体的重心，随着提升物的重量和高度而变化。
③质量分布不均匀、形状不规则的物体的重心：采用悬挂法或支点平衡法测定（限于薄板或细棒）。
做一做：实验探究。
不规则形状的薄板重心的测定：可以通过单线二次悬挂来确定。说出这种方法测定的原理。
注意：悬挂点可以在薄板的
边缘也可以在薄板上。如右
图所示。
原理：二力平衡原理。
思考：能否测定质量分布不均匀细棒的重心位置？
方法：支点平衡法，如右图所示（原理二力平衡）。
也可以采用双线一次悬挂法，同学们课后思考。
三．四种基本相互作用
1、万有引力：
存在于一切物体之间，相互作用的强度随距离的增大而减小。
2、电磁相互作用：
存在于电荷与电荷、磁体与磁体、电流与电流之间，他们本质上是同一种相互作用的不同表现，作用规律与万有引力相似。
3、强相互作用：
存在于原子核内质子质子、质子与中子、中子与中子之间，它是短程力，作用范围只有约10－15 m。
4、弱相互作用：
在放射现象中发现的，也是短程力。强度只有强相互作用的10－12 倍。
课堂练习：
1.关于重力大小的说法正确的是（ B ）
A．同一物体的重力大小总是恒定不变的。
B．同一地点，物体的重力与质量成正比。
C．物体落向地面时受到的重力大于它静止时受到的重力。
D．物体的重力总等于它对竖直测力计的拉力。
2.运动员把足球踢出后，球在空中所受到的力有（ D ）
A．重力、踢球力、空气阻力。
B．重力、使球向前飞的力、空气阻力
C．重力、使球向前飞的力、踢球力、空气阻力
D．只有重力和空气阻力
3.下列说法正确的是：（ D ）
A、子弹从枪口射出，能打到很远的距离，是因为子弹离开枪口后受到一个推力的作用。
B、甲用力把乙推倒，说明只是甲对乙有作用，乙对甲没有力的作用
C、只有有生命或有动力的物体才会施力，无生命或无动力的物体只会受力不会施力。
D、任何一个物体，一定既是受力物体，也是施力物体。
能力提升
4.一杯子装满水，杯子的底部有一个小孔，在水从小孔不断流出的过程中，杯连同杯中水的共同重心将（ D ）
A、一直下降
B、一直上升
C、先升后降
D、先降后升
5.把一个边长为 L 的正方形薄板绕底边顶点在竖直平面内缓慢转动45°，则物体的重心位置升高了多少？{（－1）L/2}
课后总结：本节课有关力的概念和重心的概念都比较抽象，教学中一方面要让学生感受力的相互作用并通过实例分析让学生理解力的产生及特点，另一方面通过理论探究和实验探究分析常见物体的重心的确定，这样让学生在轻松愉快的气氛中获得知识、培养能力。教学效果好。
物体运动状态的变化
运动状态均发生改变
球
①
②
③
S
N
S
N
①
20N
②
G
①
等效
G
A
B
C
D
①
②
E
A
C
B
O
A
B
C
D
E
③
B
O
A
C
D
E
④
G
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