1、形变与弹力-备课资料一、可能问题及预案1.强调不损坏物体，并要注意安全；2.实验设计有一定难度，教师给予适当提示，并强调注意实验安全；3.学生实验目的性不强，教师应帮助设计表格，帮助归纳. 二、评价标准 学生能针对问题提出自己的看法，并能举出一个以上相关实例； 学生间能积极参与问题的讨论，若能基于实例和逻辑推理而敢于质疑更好； 教师应主动参与学生的讨论，并引导他们逐步建立概念； 学生应认真观察或进行实验，填写观察或简明实验记录，并根据问题作简明的分析；鼓励学生努力思考，勇于探索有关弹力的神奇现象.三、绳、弹簧（或橡皮绳）、杆产生的弹力特点（1）形变的分类和弹力产生的机理： 物体在外力作用下的形
2、变可分为：拉伸形变、压缩形变、剪切形变、扭转和弯曲形变，但从根本上讲，形变分为：拉伸压缩和剪切形变. 拉伸压缩形变的程度用线性形变描述；剪切形变是指用平行截面间相对滑动的位移与截面垂直距离之比来描述称为剪切形变；弯曲形变：以中性层为界，靠近上沿发生压缩形变的程度增加，靠近下沿拉伸越大，即上下边沿贡献最大，中性层无贡献.实际应用中典型的就是钢筋混凝土梁，下部钢筋多利用其抗拉能力，上部利用混凝土抗压能力，工业中的工字钢、空心钢管等构件既安全又节省材料；扭转形变实质上是由剪切形变组成，内外层剪切应变不同，因此应力也不同.靠外层应力较大，抵抗扭转形变的作用主要由外层承担，靠近中心轴线的材料几乎不大起作
3、用，工业中的空心柱体就是典型的应用.（2）区别： 细绳只能发生拉伸形变，即只能提供因收缩而沿轴向里的弹力，但弹力的产生依赖于细绳受到的外力和自身的运动状态.由一种状态突变到另一种状态时，受力和运动状态将发生突变，将此点称为“拐点”；弹簧能发生拉伸和压缩形变，能提供向里和向外的弹力，弹力的产生是由于在外力作用下而引起的形变，形变不发生变化，弹力不变；轻杆：拉伸、压缩、剪切形变、弯曲、扭转形变均能发生，既能产生沿轴向方向上的弹力，又能产生沿截面方向上的弹力，取决于外力作用的情况.以上模型均不计自身的重力而引起的形变.1.“绳”在物理学上是个绝对柔软的物体，它只产生拉力（张力），绳的拉力沿着绳的方向
4、并指向绳的收缩方向.它不能产生支持作用. 绳产生弹力时，无论产生较大或较小的弹力其伸长量很微小，往往忽略不计.因此，使绳子产生弹力的外力消除或发生变化时，绳子中的张力也立即消失或发生变化，不需要形变恢复时间.一般题目中所给的细线在不加特殊说明时，均可按此模型处理.2.弹簧（或橡皮绳）可以产生拉伸和压缩的弹力，即弹簧可对物体产生支持力.弹簧只能产生沿弹簧轴线方向的力，不能产生与轴线成不等于0和180夹角的力. 弹簧（或橡皮绳）的特点是形变量大，形变恢复需要较长时间，当使弹簧产生形变的外力撤除的瞬间，由于弹簧的长度还没有发生变化.其弹力的大小往往可以看成不变，这是与绳的弹力的区别之处.3.杆可以产
5、生拉伸和压缩形变的弹力，同时还可以产生与杆任何夹角的弹力，所以它既可以拉物体，也可以支持物体，还可以对物体施加与杆成任何夹角的力. 一般对杆产生的弹力，认为杆的形变很小，其形变也可不计，故杆产生的弹力随外界因素的变化也可产生“突变”情况.4.无处不在的弹簧 在我们的日常生活中，弹簧形态各异，处处都在为我们服务.常见的弹簧是螺旋形的，叫螺旋弹簧.做力学实验用的弹簧秤、扩胸器的弹簧等都是螺旋弹簧.螺旋弹簧有长有短，有粗有细：扩胸器的弹簧就比弹簧秤的粗且长；在抽屉锁里，弹簧又短又细，约几毫米长；有一种用来紧固螺母的弹簧垫圈，只有一圈，在紧固螺丝螺母时都离不开它.螺旋弹簧在拉伸或压缩时都要产生反抗外力
6、作用的弹力，而且在弹性限度内，形变越大，产生的弹力也越大；一旦外力消失，形变也消失.有的弹簧制成片形的或板形的，叫簧片或板簧.在口琴、手风琴里有铜制的发声簧片，在许多电器开关中也有铜制的簧片，在玩具或钟表里的发条是钢制的板簧，在载重汽车车厢下方也有钢制的板簧.它们在弯曲时会产生恢复原来形状的倾向，弯曲得越厉害，这种倾向越强.有的弹簧像蚊香那样盘绕，例如，实验室的电学测量仪表（电流计、电压计）内，机械钟表中都安装了这种弹簧.这种弹簧在被扭转时也会产生恢复原来形状的倾向，叫做扭簧. 形形色色的弹簧在不同场合下发挥着不同的功能：（1）测量功能 我们知道，在弹性限度内，弹簧的伸长（或压缩）跟外力成正比
7、.利用弹簧这一性质可制成弹簧秤.（2）紧压功能 观察各种电器开关会发现，开关的两个触头中，必然有一个触头装有弹簧，以保证两个触头紧密接触，使导通良好.如果接触不良，接触处的电阻变大，电流通过时产生的热量变大，严重的还会使接触处的金属熔化.卡口灯头的两个金属柱都装有弹簧也是为了接触良好；至于螺口灯头的中心金属片以及所有插座的接插金属片都是簧片，其功能都是使双方紧密接触，以保证导通良好.在盒式磁带中，有一块用磷青铜制成的簧片，利用它弯曲形变时产生的弹力使磁头与磁带密切接触.在订书机中有一个长螺旋弹簧，它的作用一方面是顶紧钉书钉，另一方面是当最前面的钉被推出后，可以将后面的钉送到最前面以备订书时推出
8、，这样，就能自动地将一个个钉推到最前面，直到钉全部用完为止.许多机器自动供料，自动步枪中的子弹自动上膛都靠弹簧的这种功能.此外，像夹衣服的夹子，圆珠笔、钢笔套上的夹片都利用弹簧的紧压功能. （3）复位功能 弹簧在外力作用下发生形变，撤去外力后，弹簧就能恢复原状.很多工具和设备都是利用弹簧这一性质来复位的.例如，许多建筑物大门的合页上都装了复位弹簧，人进出后，门会自动复位.人们还利用这一功能制成了自动伞、自动铅笔等用品，十分方便.此外，各种按钮、按键也少不了复位弹簧.（4）带动功能 机械钟表、发条玩具都是靠上紧发条带动的.当发条被上紧时，发条产生弯曲形变，存储一定的弹性势能.释放后，弹性势能转变
9、为动能，通过传动装置带动时，分、秒针或轮子转动.在许多玩具枪中都装有弹簧，弹簧被压缩后具有势能，扣动扳机，弹簧释放，势能转变为动能，撞击小球沿枪管射出.田径比赛用的发令枪和军用枪支也是利用弹簧被释放后弹性势能转变为动能撞击发令纸或子弹的引信完成发令或射击任务的.（5）缓冲功能 在机车、汽车车架与车轮之间装有弹簧，利用弹簧的弹性来减缓车辆的颠簸.（6）振动发声功能 当空气从口琴、手风琴中的簧孔中流动时，冲击簧片，簧片振动发出声音.5.验证物体发生微小形变应注意的问题 一切自然科学都来自实践，都是在对自然现象观察的基础上，从科学实验和生产实践中总结发展起来的.物理学的发展也是如此.物理学是一门实验
10、科学，在物理学中，每个概念的建立、每个定律的发现，都有其坚实的实验基础.因而在物理教学中实验教学就显得尤为重要了.在实验教学实践的活动中，往往有这样一种情况，就实验及其操作步骤来说没有什么不妥之处，但学生却不易理解，甚至产生错觉或疑惑，不能正确地思维，更不能得到自己确信的结论.因此，我们在进行实验研究时，实验教学程序，必须一切从学生出发，从学生的认知结构、知识层次、心理因素等出发，应该设身处地地为学生着想.实验教学程序不能使学生产生错觉，不能使学生对实验现象和结果似信非信.我们应该针对学生的好奇心，适当设疑、激发兴趣；根据教学内容和学生心理状况，给演示配以适当讲解或讨论，并在能使学生接受的条件
11、下层层深入；实验力求直观简明、形象生动，便于学生进行直觉思维；针对学生在实验观察和思维上的种种难点，进行通俗的讲解和比喻，甚至可辅以另一简单的实验或实例来加以说明，以确保实验教学的效果.下面就谈谈“验证物体发生微小形变实验”的实验教学程序. 高一物理教材在“弹力”这部分内容中指出：任何物体受到任意小的力都要发生形变；不发生形变的物体是不存在的.为了说明这一点，书本上介绍了用手挤压装满水的带有细玻璃管的圆形玻璃瓶，通过观察挤压时细管中有色水面的上升来得出结论.这个实验的原理可简述为： 玻璃瓶受力形变容积减少（认为液体不可压缩）水往上升 然而在实验中，学生观察后常会产生两个错觉：（1）瓶不是玻璃的
12、；（2）手握着玻璃瓶，手传热给玻璃瓶，使瓶内的水受热膨胀.为了避免学生产生上述错觉，好多老师调整了实验教学程序，采取了下列改进措施：（1）演示前先用金属棒敲瓶子，或请学生看一看、摸一摸，使学生确信这是玻璃瓶.（2）实验中把圆玻璃瓶换成横截面为椭圆的扁玻璃瓶.这样，当瓶子椭圆截面的短半轴方向受压力时（如图4-2-7所示）水柱上升；当瓶子椭圆截面的长半轴方向受压力时（如图4-2-8所示）水柱下降.如果前者能够用“受热膨胀”来解释的话，那么后者用“受热缩小”是解释不通的.由此可见水柱高度变化的原因并非受热膨胀.图4-2-7 图4-2-8 学生错觉消除了，但是新的疑问又产生了，上面的演示不能使学生确信
13、，不论水柱上升还是下降，都是由于受力形变的缘故.这时不少教师向学生作出解释：在瓶子椭圆截面的周长基本不变的情况下，椭圆截面短半轴受压力后变短了，即截面积变小，容积变小，水柱上升；而椭圆截面的长半轴受压力后，长半轴变短了，但同时短半轴变长了，且长半轴和短半轴的乘积增大了，则截面积变大，容积变大，水柱下降.对此学生还是不易理解的，因为高一学生对于椭圆的一些知识还是生疏的，数学知识还不够. 那么怎样从学生实际出发，使学生接受不论水柱是“上升”还是“下降”都是由于受力形变的缘故呢？对此我们可以用一个简单实例进行类比.大家天天都挤牙膏，具有挤牙膏的经验.牙膏壳的截面可近似看作是一个椭圆，我们可以启发学生：挤牙膏你是怎么挤的？沿短半轴方向挤还是沿长半轴方向挤？如果挤出的牙膏太多了，要使挤出的牙膏缩回去一些，你怎么办？你是沿短半轴方向挤一下呢？还是沿长半轴方向挤呢？用牙膏实际操作演示，当学生看清这个熟悉的现象并确信后，他们自然也就相信了水柱“上升”“下降”都是由于受力形变的缘故了. 教师在实验教学过程中，教学程序必须一切从学生出发，因材施教.不论采用怎样的教学策略、教学方法、教学形式，实验教学程序对实验者来说应该便于其顺利地进行实验，并向实验观察者清楚、自然地讲解；对于实验观察者来说应该便于其观察、思考，只有这样才能使实验收到较好的教学效果.