高中物理重力的知识点详解(精选两篇)
重力的知识点在初中也学习过,但是在高中学习的会更加的全面,下面百文网的小编将为大家带来高中物理关于重力的知识点介绍,希望能够帮助到大家。
高中物理弹力的知识点
弹力的概念
在新课标必修1第55页有弹力的如下定义:发生弹性形变的物体,由于要恢复原长,对其接触的物体产生力的作用,这种力叫弹力。
定义中的弹性形变指的是能够恢复原状的形变;并不是所有的形变都是弹性形变。
弹力与重力、摩擦力一起并称力学三大典型力。
我们在高中物理题目中最典型的弹力就是弹簧的弹力。从弹力定义来说,日常生活中的压力、支持力、绳子拉力都是弹力。比如,一本书放在桌面上,桌面给其的支持力就是弹力,只不过桌面的弹性形变很小,我们肉眼观察不到。
弹力的方向
弹力的方向研究是一个考点,如果是综合题,涉及到复杂的运动模式,弹力方向判断就很不容易;比如,竖直方向弹簧放置的振动模式。
下面我们来一起研究弹力的方向。弹力的方向的规定:压力、支持力的方向总是垂直于接触面,指向被挤压或被支持的物体。
绳对物体的拉力(拉力是弹力中的一种)总是沿着绳指向绳收缩的方向。不难看出,弹力方向的分析远比重力方向复杂。
弹力的大小
高中物理中弹力问题是非常重要的考点。尤其是涉及到竖直放置弹簧、多物体连接的,且涉及到摩擦了综合问题,在高考试题和模考题中经常出现。
我们还是先来复习课本上弹力的大小的相关规定。高中物理阶段,我们研究弹力的大小都是满足胡克定律的。胡克定律可表示为(在弹性限度内):F=kx,(形变量可以是伸长量也可以是压缩量);此公式还可以表示成ΔF=kΔx,即弹簧弹力的大小改变量和弹簧形变量的改变量也成正比。
两根弹簧串联后组成的“新弹簧”总劲度变小;两根弹簧并联后组成的“新弹簧”总劲度变大。如果您没有推导过,请课下自己推导下。
下面我们来讲解弹性势能的概念,因为弹簧的问题,总是结合着能量的变化;对弹性势能的考察,是全国各地高考的一大热点和难点。而且,笔者预测在接下来北京高考物理压轴题中很有可能会考察到弹力。
弹性势能的概念
弹性势能指的是发生弹性形变的物体各部分之间,由于有弹力的作用所具有的势能。同一弹性物体在一定范围内形变越大,具有的弹性势能就越多,反之,则越小。
确定弹力势能的大小需选取零势能的状态,一般选取弹簧未发生任何形变,而处于自由状态的情况下其弹力势能为零。对于弹簧来说,弹性势能和弹簧的劲度系数k、形变量Δx有关,与其他物理量无关。
E弹=1/2 k*x^2;这个公式不属于北京地区高考物理大纲要求内容,但是记住总比不记要好。
弹性势能和弹力所做的功的对应关系
弹力做功与弹性势能变化的关系:弹力做正功,弹性势能减少;弹力做负功,弹性势能增加。这一点与重力做的功与重力势能的分析是类似的。
对于同一物体,弹力所做的功的绝对值和弹性势能的改变量的绝对值是相等的。弹力的具体应用往往出现在机械能、动量、电磁学中,一般来说这些问题都不会仅仅考弹力的大小或者方向,都会涉及到势能的讨论;下面我们就来给大家做详细讲解。
弹性势能的求法与公式推导
弹簧弹性势能的分析是高考物理力学题的一大难点,尤其是涉及到弹簧竖直放置、含有碰撞等过程的时候。
由于高中物理并没有要求大家理解弹性势能的定义,因此弹簧的弹性势能的计算总是通过动量、能量守恒或者功能关系;换句话来说,就是借助于外界功或者能的方法来进行分析。我们下面就来具体分析下弹性势能公式的推导过程。
高中数学微积分掌握比较好的学生,也可以通过积分的方法来求解。从弹力的定义式(F弹=kΔx)来看,F弹随x的变化关系为一次线性函数,通过积分不难得出:E弹=1/2 k*Δx^2;这种数学微分思想在高中物理中的应用问题,在平时需要大家多去分析探究,这类结合的问题不仅仅是高考物理,同时也是近几年自主招生考试命题的一大趋势。
对于数学微积分知识掌握不是特别理想的学生也不用气馁,我们可以借助于图像阴影面积的求法来探究弹力所做的功。
这种求法得到的答案也是一致的:E弹=1/2 k*Δx^2;在求弹簧的弹力做功时,因该变力为线性变化,可以先求平均弹力大小,再用功的定义进行计算(很多题目是利用动能定理和功能关系,能量转化和守恒定律求解)。
在这里要提醒大家的是,一次线性关系可以这么来求,二次函数关系不能利用这种方法。比如,当电流为变量的时候,求电热Q时,利用公式Q=I*I*Rt,对Q的求法只能对I进行积分。
同时要注意弹力做功的特点:弹力做功等于弹性势能增量的负值。上面给出大家的弹性势能的公式,高考不作定量要求,可作定性讨论。
因此笔者在前文中讲到,在求弹力的功或弹性势能的改变时,一般以能量的转化与守恒的角度来求解。
弹簧的考题与能量联系紧密
从历年物理试卷分析来看,弹力的方向判断总是结合受力分析、机械能守恒定律、动量、电磁感应进行综合性命题。
高中物理中的弹力是力学三大常见力之一,弹力的方向分析是这三个力中最难的。简单的弹力的方向判断没有任何考察的意义,因为区分度太小(大家都会做),因此学会在这些综合题中应用就显得非常重要。
前文中讲到的弹力的方向规定必须铭记于心,这是解决任何综合题中弹力方向的基础。另外笔者建议大家最好结合一些典型的例题来帮助大家记忆;而且,这些典型题最后隔一段时间就再复习一遍。这样在处理考试中弹簧类解答题时,大家才不会因为弹力概念或方向判定而丢分或影响答题时间。
一些高考试题或模拟考题中,弹簧竖直方向放置。这类问题的考察,在弹力的基础上融入了重力的因素,往往有借助于两个物体相碰导致的振动情况分析,无疑增加了难度。
高考物理对弹力的考察
在高中物理中,弹力的大小是非常重要的考点,尤其是涉及到竖直放置弹簧、多物体连接的弹力大小分析问题。
这些问题在高考物理真题和模考题中经常出现,从得分的角度来看,大家在弹力大小判断上丢分是很严重的。
弹力大小的分析一般来说比较困难,这是由于:弹力的大小与位移变化紧密联系,而位移的变化有由速度决定,速度取决于由弹力和其他外力综合决定的加速度。这是一个循环过程,因此,弹力综合问题的处理有相当的难度。
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高中物理重力的知识点
重力的概念
我们高中物理教材(物理必修1的51页)中有重力的定义:地球附近一切物体都受到地球的吸引,这种由于地球吸引而使物体受到的力叫做重力。
重力的表达式G=mg;其中m为物体的质量,g为地球表面的重力加速度。
重力与万有引力的关系
(高一上学期刚接触重力学生可以跳过此段)实际上重力G只是万有引力F的一个分力(具体分析参看图所示)。
对地球表面上的物体,万有引力的另一个分力是使物体随地球自转的向心力f。f比G小很多(f与G的比值不超过0.35%);因此高考说明中已经明确指出:在地球表面附近,可以认为重力近似等于万有引力。
要给大家强调一点,只有在极轴上的物体,所受的重力等于万有引力;原因是,南北极轴点物体不随着地球旋转,向心力为零。
三者的运算关系满足矢量的三角形法则;也就是说重力加速度与质量的乘积等于万有引力与向心力的矢量差。
从图中,我们还可以看出来,重力的方向不是指向地球中心的。所以我们从初中物理开始,就一直用“竖直向下”这一说法来说重力的方向。
为什么物体在地球的两极重力大?
在这里,我们做一个分析,来深入理解为什么两极重力大?
首先,由于地球不是标准的球形,而是椭圆体;夸张一点来说,就像个椭球体的“橘子”。因此“距离地心近”的两极万有引力大一些,自然重力加速度也较大。
从天体学的相关知识(F向=mvω)可知,赤道附近的向心力大(高一上学期学生对向心力和万有引力不理解的,下文中有说明)。
相对而言,物体在北极(或者说两极)向心力为零,根据矢量运算法则自然重力也就大一些。
综上两个因素所述:
1两极的周围万有引力较大;
2南北极没有向心力。
因此,南北极附近的重力加速度大。请注意是两个因素,仅强调第二个向心力关系大小的因素,这是不科学的。下面我们来探究重力加速度值的问题。
重力加速度值
课本和辅导书上常看到的重力加速度值g=9.8m/s^2实际上是大概值,并不精确。如果要找某地g的精确值,最简单的就是利用单摆来测定当地的重力加速度了。在下面,给出大家几个城市的重力加速度值。
赤道附近g=9.780m/s²;
广州g=9.788m/s²;
武汉g=9.794m/s²;
上海g=9.794m/s²;
北京g=9.801m/s²;
纽约g=9.803m/s²;
莫斯科g=9.816m/s²;
北极地区g=9.832m/s²;
便于大家理解重力加速度的例子
在课堂上我个人喜好典型例子教学。在这里给大家举个例子来帮助大家理解。
同样10米深的一个坑,一个是在北极,一个是在赤道。北极熊掉进坑底的加速度要比袋鼠大,也较早落地;请注意,不是因为北极熊质量大,这个伽利略先生早在几百年前就做了比萨斜塔实验了。当然了,这个差异是非常、非常小的,你用肉眼观察不出来。
很多学生都应该玩过沙漏。如果是同样的沙漏,在北极漏的更快。
超重与失重
物体的加速度向上,我们称之为超重;物体的加速度方向向下,我们称之为失重。向下的加速度为g时,我们称之为完成失重状态。
关于超重和失重的问题,目前高考很少考到,因为在重力中,它知识点过于单调,和其他知识点交叉联系很少。但是最基本的概念我们必须记熟练,也不必刻意去记忆。
现在开始,一口气念五十遍保证你能记到五十岁:加(速)下(降)减(速)上(升)为失重。
重力势能的概念
(高一上学生请跳过)重力势能是高中物理第二个涉及到的能量;第一个能量是动能。
重力势能广泛地应用于日常生活中,人们在打桩时,先把重锤高高举起,重锤落下就能把木桩打入地里。
重锤是由于被举高而能够做功的,举高的物体具有的能量就是重力势能。从日常生活经验也有这样的结论:物体的质量越大,举得越高,它具有的重力势能就越大。
高中物理必修2中给出了重力势能的定义:物体由于被举高而具有的能(mgh)叫做物体的重力势能。
物体质量越大、位置越高、做功本领越大,物体具有的重力势能就越大。对于重力势能的“高度”,其大小由地球和地面上物体的相对位置决定。
重力势能的定义公式为:E重=mgh;其中h是相对于零势能面的竖直高度。
重力势能是标量,单位为焦(J)。与功不同的是,功的正负号表示作用效果,比较大小时仅比较数值;而重力势能中正数一律大于负数。在重力势能的表示式中,由于高度h是相对的,因此重力势能的数值也是相对的。
万有引力定律
便于大家对比理解重力与万有引力,在这里把万有引力给大家做一个简单的介绍(高一上的学生可以参考下)。
万有引力是自然界的四大基本相互作用之一,另外三种相互作用分别是电磁相互作用、弱相互作用及强相互作用。
万有引力定律是牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。如何可以的话推荐大家看看。
牛顿的普适万有引力定律表示如下:任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。
该引力的大小与它们的质量乘积成正比,与它们距离的平方成反比,与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关(一般我们称这样的力为场力)。
万有引力定律的公式为F引=Gm1m2/(R^2);
重心
重心,是在重力场中,物体处于任何方位时所有各组成质点的重力的合力都通过的那一点。规则而密度均匀物体的重心就是它的几何中心。
不规则物体的重心,可以用悬挂法来确定。质量分布不均匀的物体,重心的位置除跟物体的形状有关外,还跟物体内质量的分布有关。
载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化,起重机的重心随着提升物体的重量和高度而变化。
物体的重心,不一定在物体上,比如三角板或者铁皮文具盒。
重心的概念大家了解一下即可,在这里留给大家一个思考题:在书本中,讲解重力时,为什么可以用悬挂法测定薄板的重心?
向心力不是力
在上文中讲到重力概念时候,提到了向心力,在这里,我们把向心力这个比较模糊的概念给大家做一个解释。
很多学生都有这样的疑问:向心力是力吗?答案是否定的,向心力不是力,因为它不满足力的定义:“两个物体间的相互作用”;当然我们也可以通过力的三要素来进行更加“细致”的判断。
我们知道,合外力不是力。合外力从定义上来说,是很多个外力的表现形式。比如重力和支持力的合力,或者电场力和重力的合力等等。
同样,向心力也不是力,也是其他力的表现形式。只不过用“向心”二字来让“表现形式”具体了起来。或者说是“表达出来”这些力的综合效果是“向心”的。
当然,对于向心力来说,也有一个力来提供向心力的情况。比如,洛伦兹力下带电粒子在匀强磁场中的运动。