2 弹力
整体设计
教材分析
1.形变：物体发生形变是力作用的结果，形变方式有形状及体积的改变，任何物体只要受到力的作用必发生形变，只不过有些形变程度很小，只有通过仪器及实验手段才能明显显示出来，在力的作用下不发生形变的物体是不存在的.形变的种类有两种：一种是弹性形变，一种是非弹性形变.
2.弹力：弹力是接触力，物体间产生弹力，两物体必互相接触且发生弹性形变，这两个条件缺一不可.两接触物体是否发生弹性形变，可用假设法来判定，若假设接触的物体间有弹性形变，则有弹力作用，若物体所处的状态与事实不相符，则假设不成立，无弹力作用.
教学建议
物体在力的作用下发生形变的情况应多演示几个实验,同时做好显示微小形变的实验.胡克定律应先通过演示实验让学生猜测，然后通过分组实验让学生探究，并比较各组所用不同弹簧F与x的比值不同.
“演示实验”：课本上的演示实验可以先让学生根据初中知识分析，如果桌子在压力作用下发生形变，则会出现什么现象；反之，如果出现该现象，则说明了什么，而且，根据墙上光斑移动的方向判断桌子形变的方向，桌子形变的程度与施加压力的大小有什么关系.
“思考与讨论”：课本上的思考与讨论，可以先演示形变明显的弹性绳的作用效果，让学生分析，再演示形变不明显的绳子的作用情况，然后让学生分析、讨论，最后总结完善.
教学重点
弹力产生的条件及弹力方向的判定，胡克定律的内容及应用.21世纪教育网
教学难点
接触的物体是否发生形变及弹力方向的确定.
课时安排
1课时
三维目标
知识与技能
1.知道什么是弹力以及弹力产生的条件.
2.知道压力、支持力、绳的拉力都是弹力，能在力的示意图中正确画出力的方向.
3.知道弹力大小的决定因素及胡克定律.
过程与方法
通过探究弹力的存在，使学生体会假设推理法及微量放大法解决问题的巧妙.
情感态度与价值观
观察和了解形变的有趣现象，感受自然界的奥秘，培养对科学的好奇心和求知欲.
课前准备
各种弹簧、橡皮筋（泥）、钢尺、细钢丝、微小形变演示、多媒体课件
教学过程
导入新课
情景导入
（课件展示）多媒体播放拉弓射箭、蹦极、跳水等情景：
射箭 蹦极 水
图3-2-1
让学生试着回答以上动作的完成有什么共同特点.
结论：都离不开物体的弹性作用.
弹性物体对作用对象的作用我们称之为弹力，本节课我们就来研究弹力产生的条件及其方向的判定等系列问题.
感知导入
学生分成几个小组，每组分发一根细铁丝.让大家自己动手制作成一个小弹簧，然后轻轻地拉一拉或者压一压，并说出自己的感受.
总结：当手拉或压弹簧时，都要给弹簧一个力的作用，也就是说手都要受到弹簧的力的作用.
那么，这又是什么力呢？它是怎样产生的呢？它的大小、方向各如何呢？21世纪教育网
推进新课
一、弹性形变和弹力
实验演示1：
压缩弹簧、海绵,用手弯曲竹片,我们能明显地观察到什么现象？
结论：看到形状或体积改变，我们就把物体形状或体积的变化叫做形变.
情景设置：给学生提供不同的物体，教师引导学生使物体的形状或体积发生变化（设计意图：学生亲身经历探究过程，明确两类形变）
讨论交流：物体的形变有两种情况：一种是物体在形变后能够恢复原状，这种形变叫做弹性形变，如弹簧的形变、竹片的形变等；另一种是物体在形变后，撤去外力物体也不能够恢复原状的形变，这种形变叫做非弹性形变.
阅读(课件展示):
凡物体受到外力而发生形状变化谓之“形变”.物体由于外因或内在缺陷，物质微粒的相对位置发生改变，也可引起形态的变化.形变的种类有：
1.纵向形变：杆的两端受到压力或拉力时，长度发生改变；
2.体积形变：物体体积大小的改变；
3.切变：物体两相对的表面受到在表面内的（切向）力偶作用时，两表面发生相对位移，称为切变；
4.扭转：一圆柱状物体，两端各受方向相反的力矩作用而扭转，称扭转形变；
5.弯曲：两端固定的钢筋，因负荷而弯曲，称弯曲形变.
【实验探究】 怎么才能够使物体发生形变呢?(分组合作进行实验探究、讨论，不难得出结论)
结论：物体间相互接触并相互挤压.
学生实验：鼓励大家自己使劲拉课下制作好的小弹簧，拉到再不能伸长为止.
现象：弹簧被拉直后不能恢复原长.21世纪教育网
结论：如果形变过大，超过一定的限度，撤去外力作用后，物体就不能完全恢复原来的形状,这个限度叫做弹性限度.
弹性限度微观解释（设计意图：教师引导提高的过程）
教师精讲：铁丝在被拉伸过程中，其形变与铜原子的引力范围有关.当铁丝被拉伸时，由于铁原子的引力，铁丝可以恢复到原来的长度，这属于弹性形变的范围；但是若继续拉铁丝，当铁原子间的距离拉得太大时，铁原子的引力不能使其恢复到原来的位置，这时铁丝就无法恢复到原长甚至会断裂.21世纪教育网
问题设置：发生弹性形变的物体有什么用途呢？
引导学生举出弯弓射箭、撑杆起跳、拍打篮球、击打网球等例子.
师生交流讨论以上例子的本质.
结论：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，这种力叫做弹力.
问题设置：任何物体都能发生形变吗？
此时教师可以在桌子上放一本书，借此提问桌子会发生形变吗？[来源:21世纪教育网
（学生可能回答不发生形变）
演示实验2：
教师向学生作显示微小形变装置的简单介绍.
实验：入射光的位置不变，将光线经M、N两平面镜两次反射，射到一个刻度尺上，形成一光亮点.如图3-2-2,让一学生用力压桌面，同学们会看到什么现象？
学生会看到光点在刻度尺上移动.
图3-2-2
学生分析：桌面有了形变，使M、N平面镜的位置发生了微小的变化.
总结：我们通常用眼看到一些物体发生形变，还有一些物体眼睛根本观察不到它的形变，比如一些比较坚硬的物体，但是这些物体都有形变，只不过形变很微小.所以，一切物体都在力的作用下会发生形变.
演示实验3：
（课件展示）多媒体课件展示教材55页图3.2-2有机玻璃的形变.21世纪教育网
归纳：一块三角形有机玻璃压在另一块有机玻璃上，发生的形变很小，肉眼不能看出来.但是形变使有机玻璃内部不同部位的光学性质产生了差异，让特殊的光通过时，就完全可以看到这种差异.21世纪教育网
二、几种弹力
事实上，只要两个相互接触的物体相互挤压，就一定能产生弹力的作用.可见，弹力的产生需两个条件：直接接触并发生形变.
常见的弹力除了以上讲到的外，还有支持力和拉力等.
弹力的方向：一般情况下，凡是支持物对物体的支持力，都是支持物因发生形变而对物体产生弹力,所以支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体.
教师精讲:放在水平桌面上的书，由于重力的作用而压迫桌面，使书和桌面同时发生微小形变，书要恢复原状，对桌面产生垂直于桌面向下的弹力F1，这就是书对桌面的压力；桌面由于发生微小的形变，对书产生垂直于书面向上的弹力F2，这就是桌面对书的支持力.如图3-2-3.
图3-2-3 图3-2-4
学生活动：静止地放在倾斜木板上的书，书对木板有压力,木板对书有支持力.指导学生并画出力的示意图.如图3-2-4.
结论：压力、支持力都是弹力.压力的方向总是垂直于支持面而指向被压的物体，支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体.
图3-2-5
引导学生分析静止时悬绳对重物的拉力及方向.如图3-2-5.
引导得出：悬挂物由于重力的作用而拉紧悬绳，使重物、悬绳同时发生微小的形变.重物由于发生微小的形变，对悬绳产生竖直向下的弹力F1，这是物对绳的拉力；悬绳由于发生微小形变，对物产生竖直向上的弹力F2，这就是绳对物体的拉力.21世纪教育网
结论：拉力是弹力，方向总是沿着绳而指向绳收缩的方向.
课堂训练（课件展示）
画出下列各静止物体的弹力（接触面光滑）.
图3-2-6
分析：弹力的方向总跟接触的面垂直，面与面接触，点与面接触，都是垂直于面；点与点的接触要找两接触点的公切面，弹力垂直于这个公切面指向被支持物.
问题：像B图中，斜面与球间有无弹力？
对小球状态进行分析：如果小球受到斜面弹力，小球在水平方向上不会静止，会向右运动,由此可判定小球不受斜面的弹力.这是判定相接触的物体间是否有弹力的基本方法，说明两接触物体接触但没有发生形变.
分析完后，分别让学生画出弹力如图3-2-6.
三、胡克定律
下面我们大家设计一个实验,实验的目的是寻找与弹簧的弹力有关的因素.
学生设计实验,然后分组实验.
参考实验案例
图3-2-7
如图3-2-7所示,用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,系统静止时,弹簧的弹力等于所悬挂钩码的总重;弹簧的长度及伸长量可由刻度尺测出.
注意事项
1.本实验要求定量测量,因此要尽可能减小实验误差.标尺要竖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,要待系统稳定后再读数.
2.实验中所提供的米尺精确度为1 mm,应估读一位.
3.弹簧组的说明书已说明每个弹簧的弹性限度,注意不要超过它的弹性限度使用.
建议做法:
1.选择器材:
从弹簧组中选择一只弹簧(注意它的弹性限度)悬挂在铁架台的横杆上;实验桌上有200 g、50 g的钩码各一盒,选择50 g钩码来做这一实验.(想一想,为什么?)(参考答案:50 g的钩码质量比较小,容易调节,另外增加一个不会损坏弹簧)
2.首先将实验装置调整妥当(如整个装置是否竖直平衡,标尺与弹簧的距离是否合适,标尺面与弹簧上的指针是否在同一平面内,是否便于读数等).
3.读出弹簧自然下垂时指针所指刻度.
4.悬挂50 g钩码一个,待稳定后,读出弹簧上指针所指刻度并计算出弹簧的伸长量记入表格.
5.逐个增加钩码,重复第4步,至少做5组数据.
初态指针对应刻度(cm)
弹簧弹力(N)
指针所指刻度(cm)
弹簧伸长量(cm)
6.图象法处理数据:在下面的坐标纸上,以弹簧弹力为纵轴,弹簧伸长量为横轴建立坐标系,如图3-2-8所示.描出5个特殊点,以寻找弹簧弹力和弹簧伸长量之间的关系.
图3-2-8
拓展一步:常用的实验数据的处理方法有:计算法(求比值、求积、求和、求差等)和图象法两种.两者比较,图象法处理数据更为直观、更容易得出物理变化规律,且该种方法处理数据能更好地减小实验的偶然误差.
通过以上的实验,我们可以得出怎样的结论?
胡克定律:在弹性限度内,弹性体的弹力和弹性体伸长(或缩短)的长度成正比,即F=kx,其中k是劲度系数,单位N/m.
例题有一根弹簧的长度是15 cm,在下面挂上0.5 kg的重物后长度变成了18 cm，求弹簧的劲度系数.
解答：已知弹簧原长为L0=15 cm=0.15 m，后来长度为L=18 cm=0.18 m,弹簧的弹力为5 N，伸长量为x=0.03 m,由胡克定律F=kx可知，k=F/x=166.7 N/m.
答案:166.7 N/m
说明：不同材料的弹簧劲度系数是不一样的，同一种材料的弹簧形状和长度不相同时，其劲度系数也是不一样的.
课堂训练（课件展示）
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；挂重为6 N的物体时弹簧长度为13 cm，则弹簧原长为________cm，劲度系数为________N/m.
解析：弹簧上悬挂物体时弹簧要伸长，由胡克定律得知：弹簧上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在数值上等于伸长后总长度减去原长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:10 200
课堂小结
在弹力的教学过程中,有这样几个难点需要突破,一是任何相接触的物体间都可能有弹力,弹力的产生条件是接触并且有形变,但是有些物体的形变量很小,不容易观察到,就会使学生产生这样的疑问:这种情况下弹力到底有没有?例如物体放在桌面上,压力和支持力不通过形变来进行判断,解决这个问题的方法是微小形变的演示,通过演示,使学生确信任何两个接触的物体间都可以有弹力.另外一个难点是弹力有无的判断,解决这个问题可以用假设判断的方法,不仅让学生知道判断的方法,更应该让学生学会这些方法的迁移,例如假设的判断方法,也可以用到摩擦力有无的判断中去.一般弹力大小的判断要根据物体的实际情况判断,而弹簧弹力的判断可以根据胡克定律进行判断,让学生通过实验“发现”胡克定律,在发现中锻炼探究物理规律的能力.
布置作业
1.教材第56页“问题与练习”2、3、4题.
2.实验测量不同弹簧的劲度系数，给出原始数据，写出处理数据的过程.
板书设计
2 弹力
1.弹性形变和弹力
弹性形变：在外力停止作用后，能够恢复原状的形变.
非弹性形变：在外力停止作用后，不能恢复原状的形变.
弹力：发生形变的物体，由于要恢复原状，会对跟它接触的物体产生力的作用，这种力叫弹力.
弹力产生的条件：①物体间直接接触；②物体发生弹性形变.
2.几种弹力
支持力、拉力
3.胡克定律
胡克定律：在弹性限度内，弹性体的弹力和弹性体伸长（或缩短）的长度成正比，即
F=kx,其中k是劲度系数，单位N/m.
活动与探究
课题：制作一个弹簧秤，用来粗略测量身边物体的重力.[来源:21世纪教育网
器材：自己自由选择器材，但要说明所选器材的原因.
步骤：根据所选器材，自由设计实验步骤.
结论：讨论交流实验结论，体会成功的喜悦.
习题详解21世纪教育网
1.解答:略.
2.解答:钢管受到3个力作用:重力G、地面的支持F1、绳的拉力F2.重力G的施力物体是地球,地面的支持力F1的施力物体是地面,绳的拉力F2的施力物体是绳.示意图见图3-2-9.
图3-2-9
3.解答:如图3-2-10所示.
图3-2-10
4.解答:如图3-2-11所示,弹簧的劲度系数为k=26 N/m.
弹簧伸长量x/m
弹力F/N
0
0
0.012
0.30
0.023
0.60
0.035
0.90
0.046
1.20
0.058
1.50
图3-2-11
自主广场
我夯基 我达标
1.下列有关弹力的一些说法中，正确的是（ ）21世纪教育网
A.只有弹簧才有可能施加压力
B.施加弹力的物体一定有形变
C.蓝墨水瓶放在课桌上，墨水瓶对课桌施加了弹力，但墨水瓶没有发生形变
D.压力就是竖直向下压的力
解析：根据产生弹力的条件，只要两物体接触，发生了形变，物体间就产生弹力，可知A说法错误，B说法正确.墨水瓶放在课桌上，对课桌施加弹力的原因是墨水瓶发生了形变，故C说法错误.压力是一种效果力，即某一个力产生一种压某一个面的效果，我们可以说物体对面施加了压力，但方向不一定竖直向下.如斜面上的物体对斜面的压力垂直斜面斜向下.
答案：B
2.将一本书水平放在桌面上静止，则下列说法中正确的是（ ）
A.书对桌面的压力就是书受的重力，施力物体是地球
B.书对桌面的压力是弹力，在数值上等于书受的重力[21世纪教育网
C.书对桌面的压力是弹力，是由于书受到桌面的压力产生形变而产生的
D.书能静止，是由于书的重力大于桌面对书的支持力
解析：书对桌面的压力属弹力，其施力物体是书，因为书与桌面挤压产生形变，要恢复原状而对桌面产生弹力.它与书的重力性质不同，施力物体与受力物体均不同.但由于书处于静止状态，书的重力与书受桌面的支持力平衡，大小相等，而书对桌面的压力和桌面对书的弹力大小相等，故书对桌面的压力与重力在数值上相等，所以选项B、C正确，A、D错误.
答案：BC21世纪教育网
3.如图3-2-3所示，弹簧测力计和细线的重力及一切摩擦不计，物重G=1 N，则弹簧测力计A和B的示数分别为（ ）
图3-2-3
A.1 N，0 B.0，1 N C.2 N，1 N D.1 N，1 N21世纪教育网
解析：弹簧测力计的示数显示的是弹簧上弹力的大小，而在静止状况下弹簧上的弹力等于绳上弹力的大小，而绳上弹力与物体重力满足二力平衡，故弹簧测力计均为1 N，选项D正确.21世纪教育网
答案：D
4.如图3-2-4所示，一个质量分布均匀的小球放在互成120°角的两块光滑平面之间，保持静止状态，球与水平面AB相切a点，与倾斜面AC相切于b点.试分析球的受力情况，画出球的受力示意图.
图3-2-4
解析：产生弹力的必要条件是接触，充分条件是挤压产生形变.在图中与小球接触的有两点a和b，因此小球所受到的弹力只能来自这两点，但是有接触不一定就产生弹力，必须要挤压才产生形变，对a点来说小球一定与水平面挤压.
答案：如图所示.
[来源:21世纪教育网
5.如图3-2-5示，水平桌面上放一质量分布均匀的长木板，开始时木板全部在桌面内静止.当木板的2/3在桌面上静止时，试说明桌面对木板的弹力大小有无变化.
图3-2-5
解析：在两种情况下，木板的重力G不变，故所受弹力F也不变，其大小关系为F=G.
答案：无变化
我综合 我发展
6.如图3-2-6所示，一氢气球被一细绳拉住漂浮在空中，试分析细绳所受弹力及施力物体.21世纪教育网
图3-2-6
解析：细绳既受气球的拉力，又受地面的拉力.这两个弹力的方向相反，都在沿绳的直线上.地面对绳的弹力斜向下，球对绳的弹力斜向上.
答案：见解析
7.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；挂重为6 N的物体时弹簧长度为13 cm，则弹簧原长为____________cm，劲度系数为_______________N/m.
解析：弹簧上悬挂物体时弹簧要伸长，由胡克定律得知：受到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在数值上等于伸长后总长度减去原长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)
带入数据解得: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：10 200
8.三个相同的支座上分别放着三个质量和直径都相同的光滑圆球a、b、c，支点P、Q在同一水平面上，a的重心位于球心O，b、c的重心分别位于球心O的正上方和正下方.试分析三种情况下支点P、Q对球的弹力的方向是怎样的.
图3-2-7
解析：对P、Q两点弹力方向的判定，不要受重力位置不同的影响，应由基本方法判定.题中相互接触的物体属于点点接触，弹力的方向与过接触点的切面垂直，指向球心，与重力位置无关.故三种情况下重力方向是一致的.
答案：三种情况下弹力的方向都是与过接触点的切面垂直，指向球心.
9.如图3-2-8所示，两木块质量分别为m1和m2，两轻质弹簧的劲度系数分别为k1和k2，上面木块压在上面的弹簧上（但不拴接），整个系统处于平衡状态.现缓缓向上提上面的木块，直到它刚离开上面的弹簧，在这个过程中下面木块移动的距离为（ ）
图3-2-821世纪教育网
A.m1g/k1 B.m2g/k1 C.m1g/k2 D.m2g/k2
解析：由于两个弹簧都是轻弹簧，对下面的弹簧来说，它本来承受的是两个木块的总重力.当上面的木块刚要离开上面的弹簧时，下面的弹簧将只承受m2的重力，所以下面的弹簧压缩量将减小，它会上升一段距离，也就是下面的木块移动的距离为（m2g+m1g）/k2-m1g/k2，故选C.
答案：C[21世纪教育网
我创新 我超越
10.用金属制成的线材（如钢丝、钢筋）受到拉力会伸长，17世纪英国物理学家胡克发现，金属丝或金属杆在弹性限度内的伸长与拉力成正比，这就是著名的胡克定律.这一发现为后人对材料的研究奠定了重要基础.现有一根用新材料制成的金属杆，长为4 m，横截面积为0.8 cm2，设计要求它受到拉力后的伸长不超过原长的1/1 000.由于这一拉力很大，杆又较长，直接测试有困难，就选用同种材料制成样品进行测试，通过测试，取得数据如下：
（1）根据测试结果，推导出线材伸长x与材料的长度L、材料的截面积S及拉力F的函数关系.
（2）在寻找上述关系中，你运用了哪种科学方法？
（3）通过对样品的测试，求出新材料制成的金属细杆能承受的最大拉力.21世纪教育网
答案：略
