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  4. 弹簧测力计及其原理力的作用效果力的三要素弹力,弹性

李明小组在“探究影响塑料刻度尺形变的因素”中选用一长50cm的刻度尺,将其一端固定在桌边上,研究力的三要素,(1)即力的大小、___________和___________对力的作用效果的影响

一、题文

李明小组在“探究影响塑料刻度尺形变的因素”中选用一长50cm的刻度尺,将其一端固定在桌边上,研究力的三要素,
(1)即力的大小、___________和___________对力的作用效果的影响。
(2)(一)实验中,在研究力的大小对形变的影响时,李明在塑料尺的同一点、用手沿竖直向下方向施加不同大小的力.物理学中把这种研究问题的方法叫“控制变量法”,下列四个研究实例中,应用到这一方法的是_______
A.可从物体发生形变或运动状态发生改变来判断物体受到力的作用
B.探究压力作用效果时,先保持受力面积相同研究压力对作用效果的影响,再保持压力不变研究受力面积对作用效果的影响
C.测量木块受到桌面的摩擦力时,用弹簧秤沿水平方向匀速拉动木块,弹簧秤的示数等于木块受到的摩擦力
D.探究阻力对物体运动的影响时,根据实验得出“小车受到的阻力越小,小车运动的路程越长”的实验事实,设想小车在绝对光滑水平面上运动,小车将一直做匀速运动
(3)(二) 实验中,李明发现沿竖直向下方向作用在同一点的力越大,塑料尺弯曲得越_________(选填“大”或“小”).他们对这一现象产生了浓厚的兴趣,课后用弹簧对“影响弹簧形变大小的因素”进行定量研究.对此研究问题他们提出以下猜想:
猜想1:弹簧形变大小可能跟外力的大小成正比;
猜想2:弹簧形变大小可能跟弹簧的横截面积成反比;
………
(4)为验证猜想1,李明应选用以下实验器材中的哪些进行实验_______
(A)一根长约10cm的弹簧; (B) 几个长度、横截面积、制造材料均不相同的弹簧; (C) 刻度尺; (D) 天平; (E)量筒; (F) 铁架台; (G)质量均为100g的小钩码7个。
(5)李明用如图所示装置验证猜想1.他先测出不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度,然后在弹簧下端挂上钩码(每个钩码质量100g),并逐个增加钩码,测出指针所指的标尺刻度,所得数据列表如下:(g=10N/kg)
① 物理学中,常用“伸长量”来表示弹簧形变的大小,伸长量定义为弹簧受到拉力时的长度与自由伸长(即不受作用力)时长度的差值。根据伸长量的定义填写上表中空格。
② 根据所测数据,在坐标纸上作出弹簧伸长量x与拉力F的关系图像。
③根据所测得的数据和图像,能够验证猜想1吗?请你利用实验数据和图像进行分析论证,写出实验结论.
(6)对李明提出的问题,除了他的猜想外,请你再提出一个猜想。

考点提示:弹簧测力计及其原理,力的作用效果,力的三要素,弹力,弹性

二、答案

(1)大小; 方向
(2)B
(3)大
(4)ACFG
(5)
①4;8;12;16 ;20; 27; 40
③当拉力不太大时,弹簧形变大小跟外力的大小成正比;当拉力过大时,弹簧形变大小跟外力的大小不成正比(在一定范围内,弹簧形变大小跟外力的大小成正比/当拉力小于5N时,弹簧形变大小跟外力的大小成正比等)
(6)弹簧形变大小可能跟弹簧的长度成正比(反比)/弹簧形变大小可能跟制造弹簧金属丝的的横截面积成反比(正比)/弹簧形变大小可能跟弹簧的匝数成正比(反比)等。

三、考点梳理

知名教师分析,《李明小组在“探究影响塑料刻度尺形变的因素”中选用一长50cm的刻度尺,将其一端固定在桌边上,研究力的三要素,(1)即力的大小、___________和___________对力的作用效果的影响》这道题主要考你对 弹簧测力计及其原理力的作用效果力的三要素弹力,弹性 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:弹簧测力计及其原理,力的作用效果,力的三要素,弹力,弹性

考点名称:弹簧测力计及其原理
  • 定义:
        利用金属的弹性制成的标有刻度用以测量力的大小的仪器,称为测力计。有握力计、弹簧测力计等种类,如图所示。测力计有各种不同的构造形式,但它们的主要部分都是弯曲而有弹性的钢片或螺旋形弹簧。当外力使弹性钢片或弹簧发生形变时,通过杠扦等传动机构带动指针转动,指针停在刻度盘上的位置,即为外力的数值。


    主要构造:

    弹簧、指针、刻度板、拉钩、吊环、外壳;

    原理:在弹簧的弹性限度内,弹簧的伸长与受到的拉力成正比。
考点名称:力的作用效果
  • 力的作用效果:
    1.力可以改变物体的运动状态

    2.力可以改变物体的形状

  • 对作用效果的理解:
    1.力可以改变物体的运动状态

     (1)物体运动状态的改变分为三种情况:
    一是物体运动方向不变速度大小发生改变,如物体从快到慢、从慢到快、从静止到运动和从运动到静止都是速度大小在改变;
    二是物体运动的速度大小不变,运动方向发生改变,如左转弯、右转弯等都是说明其运动方向在改变;三是物体运动速度大小和运动方向同时发生了改变。

    (2)力可以改变物体运动状态并不是说物体只要受力,其运动状态就一定要改变,“可以”不是“一定”。如放在水平面上的物理课本,受到重力和支持力的作用处于静止状态。

    2.力可以改变物体的形状

    用手拉弹簧使弹簧变长了;揉面时,面团形状不断变化;刀片能划破纸;射箭时,拉弯了的弓等等都表明力可以使物体的形状发生改变。

    3. 说明:
    (1)一个物体只要发生了运动状态的改变或形状的改变,这个物体就一定受到力的作用;
    (2)一个物体若受到了力(合力不为0)的作用,则物体要么改变了形状,要么改变了运动状态,要么两者都发生了改变。要根据题意判断是哪一种情况,不能盲目地下结论.

  • 控制变量法研究力的作用效果:
    在探究力的作用效果与哪些因素有关时就用到了控制变量法。
    例1:如图所示,使一薄钢条的下端固定,现分别用不同的力去推它,使其发生(1)、(2)、(3)、(4)各图所示的形变,如果F1=F3=F4>F2,那么能说明力的作用效果跟力的作用点有关的是(  )

    A.图(1)和(2)
    B.图(1)和(3)
    C.图(1)和(4)
    D.图(2)和(3)

    解析:力的作用效果跟力的大小、方向、作用点有关。当力的方向和作用点相同时,力的作用效果跟力的大小有关,见图(1)和(2);当力的大小和力的作用点相同时,力的作用效果跟力的方向有关,见图(1) 和(3);当力的大小和方向相同时,力的作用效果跟力的作用点有关,见图(1)和(4),因此本题选C。
    答案:C

    例2:为了探究力能否使物体发生形变,小林把玻璃瓶装满水,然后用带有细玻璃管的橡胶塞塞紧瓶口,组装好的实验装置如图所示。其中,细玻璃管上有刻度,便于观察细玻璃管内水面的变化。小林用力挤压玻璃瓶壁,发现细玻璃管内水面上升了。于是他得出结论:细玻璃管内水面上升,表明是由于手挤压玻璃瓶壁时,瓶内水的温度升高所致,因此不能说明力使玻璃瓶发生了形变。要求只利用如图所示的装置,通过实验证明力能使玻璃瓶发生形变。请你写出主要实验步骤和相应的实验现象。

    解析:用力挤压玻璃瓶壁,可以看到细玻璃管内的水面上升,水面上升的高度记为h1,松手后细玻璃管内的水面迅速回到原位置。再用较小的力挤压玻璃瓶壁,可以看到细玻璃管内的水面也上升,水面上升的高度记为h2,且h2小于h1。这说明力的作用使玻璃瓶发生了形变。

考点名称:力的三要素
  • 定义:
    物理学中,力的大小、方向、作用点叫做力的三要素,都可以影响力的作用效果。
  • 力的三要素对力的作用效果的影响:
    1.力的三要素中有一个因素变化,力的作用效果也将发生变化。例如:在开门时,手推门的部位(即作用点)不同时,推力的效果也就不同;人拉车前进时,拉力的方向不同,车前进的效果也不同;将钢尺压弯时,压力的大小不同,钢尺压弯的程度也不同。

    2.两个完全相同的力必须是三要素完全相同。

    3.力的三要素都影响力的作用效果,因此表述一个力必须把这个力的三要素都指明。
考点名称:弹力,弹性
  • 定义:
    弹性:
    受力会发生形变,不受力时又恢复到原来的形状,物体的这种性质叫做弹性;

    弹力:
    是由于物体发生弹性形变而受到的力,例如:压力和支持力。
  • 弹力的特点:
    (1)弹力产生在直接接触并发生弹性形变的物体之间,任何物体只要发生弹性形变就一定会产生弹力。
    (2)弹力方向总是与作用在物体上的使物体产生形变的外力方向相反。
    (3)弹力的大小与物体的弹性强弱、形变大小有关,形变越大,弹力越大,形变消失弹力也随之消失。

  • 弹力的形式:
         因物体的形变有多种多样,所以产生的弹力也有各种不同的形式。例如,把一重物放在塑料板上,被压弯的塑料板要恢复原状,产生向上的弹力,这就是它对重物的支持力.将一物体挂在弹簧上,物体把弹簧拉长,被拉长的弹簧要恢复原状,产生向上的弹力,这就是它对物体的拉力。不仅塑料板、弹簧等能够发生形变,许多物体都能够发生形变,对与它接触的物体产生弹力。我们通常所说的压力、支持力、绳子的拉力等,其实质就是弹力。

    弹力产生条件:
    1.两物体互相接触
    2.物体发生弹性形变(包括人眼不能观察到的微小形变)需要注意的是:任何物体只要发生了弹性形变,就一定会对与它接触的物体产生弹力。一旦超出弹性形变范围,就会彻底失去弹力。(即是超过了弹性限度,塑性物体除外)
    举例:木块A靠在墙壁上,若作用一个推力,在木块A上,则木块对墙壁有挤压,发生形变,此时A与墙壁间有弹力作用。

    弹力的方向:
    弹力的方向与物体形变方向相反,具体情况有以下几种。
    ①轻绳的弹力方向沿绳指向绳收缩的方向。
    ②压力、支持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。
    ③二力杆件(即只有杆的两端受力,中间不受力(包括杆本身的重力也忽略不计),叫二力杆件),弹力必沿杆的方向。一般杆件,受力较为复杂,应根据具体条件分析。
    ④杆:弹力方向是任意的,有它所受外力和运动状态决定。
          弹力的大小跟形变的大小的关系。在弹性限度内,形变越大,弹力也越大;形变消失,弹力就随着消失。对于拉伸形变(或压缩形变)来说,伸长(或缩短)的长度越大,产生的弹力就越大。对于弯曲形变来说,弯曲的越厉害,产生的弹力就越大。对于扭转形变来说,扭转的越厉害,产生的弹力就越大。

    弹力的本质:
          弹力的本质是分子间的作用力。当物体被拉伸或压缩时,分子间的距离便会发生变化,使分子间的相对位置拉开或靠拢,这样,分子间的引力与斥力就不会平衡,出现相吸或相斥的倾向,而这些分子间的吸引或排斥的总效果,就是宏观上观察到的弹力。如果外力太大,分子间的距离被拉开得太多,分子就会滑进另一个稳定的位置,即使外力除去后,也不能再回到复原位,就会保留永久的变形。这便是弹力的本质。

    弹力的区别:
       
         弹力是按照力的性质命名的。而压力,支持力,拉力则是由力的效果命名的。这是两个完全不同的概念。因此,弹力和压力,支持力,拉力之间没有明确的关系。弹力不一定是压力,支持力,拉力。
        
          例如,套在同一光滑竖直杆的两个环形磁铁,其相同的磁极相对,两个磁铁均处于静止状态。对上面的磁铁进行受力分析,磁铁受本身的竖直向下的重力作用和竖直向上的排斥力作用,二力为一对平衡力。此时,向上的排斥力便作为支持力。此支持力就不是弹力。另外,由牛顿第三定律得,大小等于向上的排斥力,方向向下的磁力也作用于下面的磁铁上。此时,这个向下的磁力就是上面的磁铁给它的向下的压力。这个压力也不是弹力。
         
          又如,在两根光滑平行直导轨间,分布有竖直方向且等距离分布的方向不同的匀强磁场,导轨上有一个宽度与磁场相同的金属框。当磁场匀速运动时,线框就会受到安培力作用而运动起来。此时,安培力就是线框运动的合外力,也就是拉力。此拉力也不是弹力。
          所以,不能笼统地说,弹力就是压力,支持力,拉力。要具体情况具体分析。具题目意思来定。
  • 弹性形变与塑性形变:
    1.弹性形变物体由于在力的作用下发生形变,当力撤去后,物体义恢复原状,如弹簧、橡皮条等,这样的形变叫弹性形变,外力消失后能白动恢复原来形状的性质叫弹性。

    2.塑性形变也有一些物体在发生形变后,不能恢复原状,如一块泥巴,用笔杆插一个洞或用手一压,泥巴不会恢复原状,我们把这样的形变叫做塑性形变。物体变形后不能自动恢复原来的彤状的性质叫做塑性。例如:被拉长的弹簧,如果超出了其弹性限度,弹簧被拉长后,发生改变,但当外力消失后,弹簧无法恢复原状,这样的形变就是塑性形变。

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