资源简介

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3.1重力与弹力教学设计
一、核心素养目标
1.物理观念
（1）通过生活观察与实验探究，准确理解重力的产生、大小和方向，明确重力与质量的区别与联系，建立“重力是地球吸引产生的力”的认知。
（2）掌握弹力的产生条件、方向判断方法及胡克定律的内涵，能区分弹性形变与塑性形变，建立“弹力与形变相关”的力的观念。
（3）能运用重力公式（G=mg）和胡克定律（F=kx）解决实际问题，理解g和k的物理意义，形成对常见力的系统性认识。
2.科学思维
（1）经历“重力大小探究—弹力方向分析—胡克定律推导”的思维过程，通过控制变量法研究重力与质量的关系、弹力与形变量的关系，培养逻辑推理与科学论证能力。
（2）能运用“假设法”判断弹力是否存在，通过“等效替代”分析接触面弹力、轻绳轻杆弹力的方向，提升模型建构与分析推理能力。
（3）结合胡克定律的图像分析，能利用F-x图像求解劲度系数和弹力，培养数形结合的思维方式。
3.科学探究
（1）参与“探究重力大小与质量的关系”实验，能自主操作弹簧测力计、天平，规范记录数据并绘制G-m图像，归纳实验结论，分析误差来源（如仪器精度、操作方法）。
（2）在“探究弹力与形变量的关系”实验中，通过改变弹簧所挂钩码数量，测量形变量，总结胡克定律，培养实验设计、数据处理和误差分析能力。
4.科学态度与社会责任
（1）通过了解重力与弹力在生活（如建筑承重、弹簧测力计）、科技（如航天器失重、弹性缓冲装置）中的应用，体会物理学与生产生活的紧密联系，激发学习兴趣。
（2）结合重力对人体的影响（如登山、航天失重训练），认识物理规律与生命健康的关联，培养关注科技发展的科学态度。
（3）在小组实验与讨论中，培养合作交流能力，养成严谨务实、尊重实验数据的科学习惯。
二、教学重难点
1.教学重点
（1）重力的大小（G=mg）、方向（竖直向下）及重心的概念，明确g的物理意义。
（2）弹力的产生条件（接触且发生弹性形变）及方向判断方法（与施力物体形变方向相反）。
（3）胡克定律的内容、公式（F=kx）及应用，理解劲度系数k的含义。
2.教学难点
（1）重心位置的判断，尤其是形状不规则或质量分布不均匀物体的重心确定。
（2）弹力方向的准确判断，特别是接触面不明显（如轻杆、轻绳）或曲面接触时的弹力方向分析。
（3）胡克定律中“形变量”的理解（与原长的差值）及多根弹簧组合时劲度系数的分析。
三、教学环节
（一）情境导入：生活现象激发思考
1.展示三组生活情境：①视频“苹果从树上落下”“人站在体重秤上”；②图片“弹簧测力计测量力的大小”“撑杆跳高运动员使撑杆弯曲”；③动画“气球升空与石块下落的对比”。
2.提出问题链：“苹果和石块为什么会下落，而气球却能上升？”“弹簧和撑杆被弯曲后，为什么会产生力的作用？”“体重秤的示数和我们的质量有什么关系？”
3.演示实验：用弹簧测力计分别悬挂不同质量的钩码，观察弹簧测力计的示数变化；用手压海绵、拉弹簧，观察形变与力的关系，引出课题——重力与弹力。
设计意图：通过生活中常见的力的现象，激活学生已有经验，制造认知悬念，激发探究重力与弹力本质规律的兴趣。
（二）新知探究一：重力
1.重力的产生
（1）引导分析：苹果下落、石块落地等现象，都是由于地球对物体的吸引而产生的力，这种力叫做重力。强调“重力的施力物体是地球，受力物体是研究对象”。
（2）拓展说明：重力是万有引力的一个分力，地球对物体的万有引力分为两部分，一部分提供物体随地球自转的向心力，另一部分就是重力。在地球表面附近，可近似认为重力等于万有引力。
2.重力的大小
（1）实验探究：“探究重力大小与质量的关系”。①实验器材：弹簧测力计、天平、不同质量的钩码（50g、100g、150g…）；②实验步骤：用天平测量钩码质量m，用弹簧测力计测量钩码重力G，记录多组数据；③数据处理：以质量m为横轴，重力G为纵轴，绘制G-m图像，发现图像为过原点的倾斜直线；④实验结论：物体所受的重力跟它的质量成正比，即G=mg。
（2）公式解读：①G为重力（单位：N），m为质量（单位：kg），g为重力加速度（单位：m/s ）；②g的物理意义：在地球表面附近，质量为1kg的物体受到的重力约为9.8N；③g的数值：不同纬度和高度g值不同，赤道g≈9.78m/s ，北极g≈9.83m/s ，通常取g=9.8m/s ，粗略计算时取g=10m/s 。
3.重力的方向
（1）实验观察：将重锤线悬挂在铁架台上，无论铁架台如何倾斜，重锤线始终竖直向下；将盛有水的烧杯倾斜，水面始终水平，重力方向竖直向下。
（2）概念明确：重力的方向总是竖直向下，“竖直向下”是指垂直于水平面指向地心，与“垂直向下”不同（垂直向下是指垂直于接触面）。例如，在斜面上的物体，重力方向竖直向下，而非垂直于斜面。
（3）生活应用：重锤线用于检查墙壁是否竖直、门框是否方正，利用的就是重力方向竖直向下的规律。
4.重心
（1）概念引入：用手指支撑直尺，找到直尺平衡的位置，说明这个位置是直尺重力的等效作用点，叫做重心。物体的重心是重力的等效作用点，可认为物体所受的重力集中作用在重心上。
（2）重心位置的判断：①质量分布均匀、形状规则的物体，重心在几何中心（如正方体的重心在中心，球体的重心在球心）；②质量分布不均匀或形状不规则的物体，重心可用“悬挂法”确定（如用细线悬挂物体，静止时细线的延长线过重心，两次悬挂的交点即为重心）；③重心可能在物体上，也可能在物体外（如圆环的重心在圆心，不在圆环上）。
（3）应用分析：汽车底盘设计得较低，是为了降低重心，增加稳定性；运动员跳水时身体弯曲，改变重心位置，调整运动姿态。
（三）新知探究二：弹力
1.形变与弹性形变
（1）实验演示：①用手压海绵，海绵形状发生改变；拉弹簧，弹簧长度变长；②松手后，海绵和弹簧恢复原状；③用手捏橡皮泥，松手后橡皮泥保持形变。
（2）概念构建：①形变：物体形状或体积的改变，叫做形变；②弹性形变：形变后能恢复原状的形变，叫做弹性形变；③塑性形变：形变后不能恢复原状的形变，叫做塑性形变。强调“弹力产生的前提是弹性形变”，超过弹性限度，物体将发生塑性形变（如弹簧被拉断）。
2.弹力的产生条件
（1）实验探究：①将两个小球靠近但不接触，两球之间无相互作用；②将两球接触并挤压，两球都发生形变，彼此产生力的作用。
（2）条件总结：弹力的产生必须同时满足两个条件：①两物体直接接触；②接触的物体之间发生弹性形变（相互挤压或拉伸）。缺一不可，例如“放在水平桌面上的书本”，书本与桌面接触且相互挤压（均发生弹性形变），因此书本受到桌面的支持力（弹力），桌面受到书本的压力（弹力）。
3.弹力的方向
（1）规律总结：弹力的方向总是与施力物体形变的方向相反，并且指向受力物体。可简单记为“指向被支持（或被拉）的物体”。
（2）常见弹力方向的判断：
①接触面弹力：a.平面与平面接触（如书本放在桌面），支持力（弹力）方向垂直于接触面指向受力物体（书本受到的支持力竖直向上）；b.平面与曲面接触（如球放在桌面上），弹力方向垂直于平面指向球心；c.曲面与曲面接触（如两球相靠），弹力方向沿两球心连线指向受力物体。
②轻绳弹力：轻绳只能产生拉力，弹力方向沿绳收缩的方向（如悬挂重物的绳子，拉力竖直向上）。
③轻杆弹力：轻杆既能产生拉力也能产生支持力，弹力方向与杆的形变方向相反，不一定沿杆的方向（如轻杆一端固定，另一端悬挂重物并倾斜，杆的弹力方向可能斜向上）。
④弹簧弹力：弹簧被拉伸时，弹力方向沿弹簧收缩方向；被压缩时，弹力方向沿弹簧伸长方向，始终与弹簧形变方向相反。
（3）判断方法：“假设法”——假设将施力物体撤去，观察受力物体的运动趋势，弹力方向与运动趋势相反。例如，斜面上的物体，若撤去斜面，物体将沿斜面下滑，因此物体受到的支持力（弹力）垂直于斜面向上。
4.胡克定律
（1）实验探究：“探究弹力与形变量的关系”。①实验器材：弹簧、弹簧测力计、直尺、不同质量的钩码；②实验步骤：测量弹簧的原长l ，在弹簧下挂1个钩码，测量弹簧的长度l ，计算形变量x =l -l ，记录弹力F （等于钩码重力）；依次增加钩码数量，记录多组F和x的数据；③数据处理：以形变量x为横轴，弹力F为纵轴，绘制F-x图像，发现图像为过原点的倾斜直线；④实验结论：在弹性限度内，弹簧弹力F与弹簧的形变量x成正比，这就是胡克定律。
（2）公式表达：F=kx。①F为弹簧弹力（N），x为弹簧的形变量（m，即弹簧长度与原长的差值），k为弹簧的劲度系数（N/m）；②劲度系数k的物理意义：表示弹簧的“软硬”程度，k值越大，弹簧越硬，发生相同形变量所需的弹力越大；k值由弹簧自身的材料、粗细、匝数等决定，与弹力和形变量无关；③适用条件：必须在弹性限度内，超过弹性限度，F与x不再成正比。
（3）拓展应用：两根弹簧的组合——①串联：劲度系数变小，1/k串=1/k +1/k ；②并联：劲度系数变大，k并=k +k 。
（四）新知应用：典型问题解析
1.重力与重心问题
例1：一个质量为5kg的物体，g取10m/s ，求：（1）物体所受的重力大小；（2）若将物体放在倾角为30°的斜面上，物体所受重力的方向及大小是否变化；（3）用悬挂法确定不规则金属块的重心，简述操作步骤。
解析：（1）由G=mg得，G=5×10=50N；（2）重力方向始终竖直向下，与斜面无关，大小也不变，仍为50N；（3）操作步骤：①用细线系住金属块的某一位置，悬挂起来，待静止后，在金属块上沿细线方向画一条直线；②换另一位置系住金属块，重复上述操作，画出另一条直线；③两条直线的交点即为金属块的重心。
2.弹力方向判断问题
例2：判断下列物体所受弹力的方向：（1）水平桌面上的书本；（2）斜面上静止的木块；（3）用轻绳悬挂的吊灯；（4）轻杆一端固定，另一端连接小球并斜向上静止。
解析：（1）书本受到桌面的支持力，方向垂直于桌面竖直向上（桌面形变方向向下，弹力方向相反）；（2）木块受到斜面的支持力，方向垂直于斜面向上（斜面形变方向沿斜面向下，弹力方向相反）；（3）吊灯受到绳子的拉力，方向沿绳竖直向上（绳子形变方向拉伸，弹力方向收缩）；（4）轻杆对小球的弹力方向斜向上，与小球的重力平衡（轻杆弹力不一定沿杆，需根据平衡状态判断）。
3.胡克定律应用问题
例3：一根弹簧的原长为10cm，挂一个质量为2kg的钩码后，长度变为12cm，g取10m/s ，求：（1）弹簧的劲度系数k；（2）若挂质量为5kg的钩码，弹簧的长度为多少（未超过弹性限度）；（3）若将弹簧压缩至8cm，需要施加的压力大小。
解析：（1）形变量x=12cm-10cm=2cm=0.02m，弹力F=G=mg=2×10=20N，由F=kx得k=F/x=20/0.02=1000N/m；（2）F'=5×10=50N，x'=F'/k=50/1000=0.05m=5cm，弹簧长度l=10cm+5cm=15cm；（3）压缩形变量x''=10cm-8cm=2cm=0.02m，压力F''=kx''=1000×0.02=20N。
4.综合应用问题
例4：一个质量为3kg的木块放在水平桌面上，用一个劲度系数为500N/m的弹簧水平拉木块，当弹簧伸长2cm时，木块刚好匀速运动，g取10m/s ，求木块受到的滑动摩擦力大小和动摩擦因数。
解析：木块匀速运动时，水平方向弹簧的拉力与滑动摩擦力平衡。弹簧拉力F=kx=500×0.02=10N，因此滑动摩擦力f=F=10N；由f=μN，N=G=mg=3×10=30N，得动摩擦因数μ=f/N=10/30≈0.33。
（五）核心知识归纳：构建知识体系
1.重力
（1）产生：地球对物体的吸引（万有引力的分力）；
（2）大小：G=mg，g≈9.8m/s （矢量，方向竖直向下）；
（3）重心：重力的等效作用点，位置由物体质量分布和形状决定。
2.弹力
（1）产生条件：接触且发生弹性形变；
（2）方向：与施力物体形变方向相反（指向受力物体）；
（3）胡克定律：①内容：弹性限度内，F与x成正比；②公式：F=kx；③k：劲度系数，由弹簧自身属性决定。
3.关键方法
（1）重心判断：规则物体找几何中心，不规则物体用悬挂法；
（2）弹力判断：假设法（撤去施力物体看运动趋势）；
（3）胡克定律应用：明确“形变量是与原长的差值”，注意单位统一（x用m，k用N/m）。
四、课堂练习
（一）基础巩固题
1.下列关于重力的说法，正确的是（）
A.物体的重力大小与质量成正比，所以质量越大的物体重力越大
B.重力的方向总是垂直于接触面向下
C.物体的重心一定在物体上
D.重力的施力物体是地球，方向竖直向下
2.关于弹力，下列说法正确的是（）
A.相互接触的物体之间一定存在弹力
B.发生弹性形变的物体一定对接触物体产生弹力
C.弹力的方向总是与受力物体的运动方向相同
D.弹簧的劲度系数k与弹簧的弹力大小成正比
3.一个质量为0.5kg的物体，g取9.8m/s ，求物体所受的重力大小；若将物体带到月球上，月球上的重力加速度为地球的1/6，物体在月球上的重力大小为多少？
4.一根弹簧的原长为15cm，当受到20N的拉力时，长度变为20cm，求弹簧的劲度系数；若将弹簧压缩至12cm，需要施加的压力大小为多少？
（二）能力提升题
5.如图所示（描述：一个小球用轻绳悬挂在天花板上，同时与竖直墙面接触但不挤压），判断小球受到的弹力有哪些，并画出弹力的方向。
6.两根劲度系数分别为k =200N/m和k =300N/m的弹簧，（1）串联使用时的总劲度系数；（2）并联使用时的总劲度系数；（3）若将串联后的弹簧挂一个质量为10kg的物体，g取10m/s ，弹簧的总形变量为多少？
7.一个形状不规则的均匀金属板，用悬挂法确定其重心位置，第一次悬挂点为A，细线方向为AB；第二次悬挂点为C，细线方向为CD，AB与CD交于点O，说明点O就是金属板的重心，并用物理知识解释原因。
（三）拓展创新题
8.某同学用弹簧测力计测量一个物体的重力时，发现弹簧测力计的示数比物体实际重力偏小，请分析可能的原因（至少写出3点），并提出对应的改进措施。
9.结合胡克定律，设计一个测量未知液体密度的实验方案，要求：（1）写出实验器材；（2）简述实验步骤；（3）推导出液体密度的表达式。
五、练习答案与解析
（一）基础巩固题答案与解析
1.答案：D
解析：A选项错误，重力大小与质量成正比，但需在同一位置（g相同），不同位置g不同，质量大的物体重力不一定大；B选项错误，重力方向竖直向下，而非垂直于接触面；C选项错误，重心可能在物体外（如圆环）；D选项正确，重力由地球施加，方向竖直向下。
2.答案：B
解析：A选项错误，接触但未发生弹性形变（如并列放在桌面的两个小球），无弹力；B选项正确，发生弹性形变的物体对接触物体有弹力作用（施力物体形变，对受力物体产生力）；C选项错误，弹力方向与运动方向无关（如斜面上的物体，弹力垂直斜面，运动趋势沿斜面）；D选项错误，劲度系数k由弹簧自身决定，与弹力无关。
3.答案：4.9N；约0.82N
解析：地球表面重力G=mg=0.5×9.8=4.9N；月球上重力G'=mg'=0.5×(9.8×1/6)≈0.82N。
4.答案：400N/m；12N
解析：形变量x=20cm-15cm=5cm=0.05m，k=F/x=20/0.05=400N/m；压缩形变量x'=15cm-12cm=3cm=0.03m，压力F'=kx'=400×0.03=12N。
（二）能力提升题答案与解析
5.答案：小球只受到轻绳的拉力（弹力），方向沿绳竖直向上；墙面与小球接触但无挤压（未发生弹性形变），因此无弹力。
解析：用假设法判断墙面弹力：若撤去墙面，小球仍静止，说明墙面与小球无相互挤压，无弹力；轻绳拉伸发生弹性形变，因此有沿绳收缩方向的拉力。
6.答案：（1）120N/m；（2）500N/m；（3）0.833m
解析：（1）串联劲度系数1/k串=1/k +1/k =1/200+1/300=5/600=1/120→k串=120N/m；（2）并联劲度系数k并=k +k =200+300=500N/m；（3）总弹力F=mg=10×10=100N，总形变量x=F/k串=100/120≈0.833m。
7.答案：原因：物体静止时，重力与细线的拉力是一对平衡力，二力作用在同一直线上，因此细线的延长线过重心；两次悬挂的细线延长线交点，就是重力的等效作用点，即重心。
（三）拓展创新题答案与解析
8.答案：可能原因及改进措施：①弹簧测力计未调零，指针初始位置在零刻度线下方；改进：使用前调节指针至零刻度线。②弹簧测力计的弹簧发生塑性形变，劲度系数变小；改进：更换新的弹簧测力计。③测量时弹簧与外壳摩擦，导致示数偏小；改进：测量时让弹簧自由伸缩，避免与外壳接触。④物体未静止就读数，弹簧处于加速状态，示数不稳定；改进：待物体静止后再读数。
9.答案：（1）实验器材：弹簧测力计、细线、已知质量的金属块（密度ρ金已知）、待测液体、烧杯。（2）实验步骤：①用细线系住金属块，用弹簧测力计测量金属块在空气中的重力G；②将金属块浸没在待测液体中，用弹簧测力计测量此时的拉力F；③记录数据，根据浮力公式计算液体密度。（3）推导过程：金属块受到的浮力F浮=G-F；由阿基米德原理F浮=ρ液gV排，金属块浸没时V排=V金=m金/ρ金=G/(gρ金)；因此ρ液=(G-F)ρ金/G。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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