高中物理重力的知識(shí)點(diǎn)詳解
重力的知識(shí)點(diǎn)在初中也學(xué)習(xí)過(guò)，但是在高中學(xué)習(xí)的會(huì)更加的全面，下面學(xué)習(xí)啦的小編將為大家?guī)?lái)高中物理關(guān)于重力的知識(shí)點(diǎn)介紹，希望能夠幫助到大家。
高中物理重力的知識(shí)點(diǎn)
重力的概念
我們高中物理教材(物理必修1的51頁(yè))中有重力的定義：地球附近一切物體都受到地球的吸引，這種由于地球吸引而使物體受到的力叫做重力。
重力的表達(dá)式G=mg;其中m為物體的質(zhì)量，g為地球表面的重力加速度。
重力與萬(wàn)有引力的關(guān)系
(高一上學(xué)期剛接觸重力學(xué)生可以跳過(guò)此段)實(shí)際上重力G只是萬(wàn)有引力F的一個(gè)分力(具體分析參看圖所示)。
對(duì)地球表面上的物體，萬(wàn)有引力的另一個(gè)分力是使物體隨地球自轉(zhuǎn)的向心力f。f比G小很多(f與G的比值不超過(guò)0.35%);因此高考說(shuō)明中已經(jīng)明確指出：在地球表面附近，可以認(rèn)為重力近似等于萬(wàn)有引力。
要給大家強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，只有在極軸上的物體，所受的重力等于萬(wàn)有引力;原因是，南北極軸點(diǎn)物體不隨著地球旋轉(zhuǎn)，向心力為零。
三者的運(yùn)算關(guān)系滿足矢量的三角形法則;也就是說(shuō)重力加速度與質(zhì)量的乘積等于萬(wàn)有引力與向心力的矢量差。
從圖中，我們還可以看出來(lái)，重力的方向不是指向地球中心的。所以我們從初中物理開(kāi)始，就一直用“豎直向下”這一說(shuō)法來(lái)說(shuō)重力的方向。
為什么物體在地球的兩極重力大?
在這里，我們做一個(gè)分析，來(lái)深入理解為什么兩極重力大?
首先，由于地球不是標(biāo)準(zhǔn)的球形，而是橢圓體;夸張一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，就像個(gè)橢球體的“橘子”。因此“距離地心近”的兩極萬(wàn)有引力大一些，自然重力加速度也較大。
從天體學(xué)的相關(guān)知識(shí)(F向=mvω)可知，赤道附近的向心力大(高一上學(xué)期學(xué)生對(duì)向心力和萬(wàn)有引力不理解的，下文中有說(shuō)明)。
相對(duì)而言，物體在北極(或者說(shuō)兩極)向心力為零，根據(jù)矢量運(yùn)算法則自然重力也就大一些。
綜上兩個(gè)因素所述：
1兩極的周圍萬(wàn)有引力較大;
2南北極沒(méi)有向心力。
因此，南北極附近的重力加速度大。請(qǐng)注意是兩個(gè)因素，僅強(qiáng)調(diào)第二個(gè)向心力關(guān)系大小的因素，這是不科學(xué)的。下面我們來(lái)探究重力加速度值的問(wèn)題。
重力加速度值
課本和輔導(dǎo)書(shū)上?？吹降闹亓铀俣戎礸=9.8m/s^2實(shí)際上是大概值，并不精確。如果要找某地g的精確值，最簡(jiǎn)單的就是利用單擺來(lái)測(cè)定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣攘恕Ｔ谙旅?，給出大家?guī)讉€(gè)城市的重力加速度值。
赤道附近g=9.780m/s²;
廣州g=9.788m/s²;
武漢g=9.794m/s²;
上海g=9.794m/s²;
北京g=9.801m/s²;
紐約g=9.803m/s²;
莫斯科g=9.816m/s²;
北極地區(qū)g=9.832m/s²;
便于大家理解重力加速度的例子
在課堂上我個(gè)人喜好典型例子教學(xué)。在這里給大家舉個(gè)例子來(lái)幫助大家理解。
同樣10米深的一個(gè)坑，一個(gè)是在北極，一個(gè)是在赤道。北極熊掉進(jìn)坑底的加速度要比袋鼠大，也較早落地;請(qǐng)注意，不是因?yàn)楸睒O熊質(zhì)量大，這個(gè)伽利略先生早在幾百年前就做了比薩斜塔實(shí)驗(yàn)了。當(dāng)然了，這個(gè)差異是非常、非常小的，你用肉眼觀察不出來(lái)。
很多學(xué)生都應(yīng)該玩過(guò)沙漏。如果是同樣的沙漏，在北極漏的更快。
超重與失重
物體的加速度向上，我們稱之為超重;物體的加速度方向向下，我們稱之為失重。向下的加速度為g時(shí)，我們稱之為完成失重狀態(tài)。
關(guān)于超重和失重的問(wèn)題，目前高考很少考到，因?yàn)樵谥亓χ?，它知識(shí)點(diǎn)過(guò)于單調(diào)，和其他知識(shí)點(diǎn)交叉聯(lián)系很少。但是最基本的概念我們必須記熟練，也不必刻意去記憶。
現(xiàn)在開(kāi)始，一口氣念五十遍保證你能記到五十歲：加(速)下(降)減(速)上(升)為失重。
重力勢(shì)能的概念
(高一上學(xué)生請(qǐng)?zhí)^(guò))重力勢(shì)能是高中物理第二個(gè)涉及到的能量;第一個(gè)能量是動(dòng)能。
重力勢(shì)能廣泛地應(yīng)用于日常生活中，人們?cè)诖驑稌r(shí)，先把重錘高高舉起，重錘落下就能把木樁打入地里。
重錘是由于被舉高而能夠做功的，舉高的物體具有的能量就是重力勢(shì)能。從日常生活經(jīng)驗(yàn)也有這樣的結(jié)論：物體的質(zhì)量越大，舉得越高，它具有的重力勢(shì)能就越大。
高中物理必修2中給出了重力勢(shì)能的定義：物體由于被舉高而具有的能(mgh)叫做物體的重力勢(shì)能。
物體質(zhì)量越大、位置越高、做功本領(lǐng)越大，物體具有的重力勢(shì)能就越大。對(duì)于重力勢(shì)能的“高度”，其大小由地球和地面上物體的相對(duì)位置決定。
重力勢(shì)能的定義公式為：E重=mgh;其中h是相對(duì)于零勢(shì)能面的豎直高度。
重力勢(shì)能是標(biāo)量，單位為焦(J)。與功不同的是，功的正負(fù)號(hào)表示作用效果，比較大小時(shí)僅比較數(shù)值;而重力勢(shì)能中正數(shù)一律大于負(fù)數(shù)。在重力勢(shì)能的表示式中，由于高度h是相對(duì)的，因此重力勢(shì)能的數(shù)值也是相對(duì)的。
萬(wàn)有引力定律
便于大家對(duì)比理解重力與萬(wàn)有引力，在這里把萬(wàn)有引力給大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹(高一上的學(xué)生可以參考下)。
萬(wàn)有引力是自然界的四大基本相互作用之一，另外三種相互作用分別是電磁相互作用、弱相互作用及強(qiáng)相互作用。
萬(wàn)有引力定律是牛頓在1687年于《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》上發(fā)表的。如何可以的話推薦大家看看。
牛頓的普適萬(wàn)有引力定律表示如下：任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過(guò)連心線方向上的力相互吸引。
該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)本質(zhì)或物理狀態(tài)以及中介物質(zhì)無(wú)關(guān)(一般我們稱這樣的力為場(chǎng)力)。
萬(wàn)有引力定律的公式為F引=Gm1m2/(R^2);
重心
重心，是在重力場(chǎng)中，物體處于任何方位時(shí)所有各組成質(zhì)點(diǎn)的重力的合力都通過(guò)的那一點(diǎn)。規(guī)則而密度均勻物體的重心就是它的幾何中心。
不規(guī)則物體的重心，可以用懸掛法來(lái)確定。質(zhì)量分布不均勻的物體，重心的位置除跟物體的形狀有關(guān)外，還跟物體內(nèi)質(zhì)量的分布有關(guān)。
載重汽車的重心隨著裝貨多少和裝載位置而變化，起重機(jī)的重心隨著提升物體的重量和高度而變化。
物體的重心，不一定在物體上，比如三角板或者鐵皮文具盒。
重心的概念大家了解一下即可，在這里留給大家一個(gè)思考題：在書(shū)本中，講解重力時(shí)，為什么可以用懸掛法測(cè)定薄板的重心?
向心力不是力
在上文中講到重力概念時(shí)候，提到了向心力，在這里，我們把向心力這個(gè)比較模糊的概念給大家做一個(gè)解釋。
很多學(xué)生都有這樣的疑問(wèn)：向心力是力嗎?答案是否定的，向心力不是力，因?yàn)樗粷M足力的定義：“兩個(gè)物體間的相互作用”;當(dāng)然我們也可以通過(guò)力的三要素來(lái)進(jìn)行更加“細(xì)致”的判斷。
我們知道，合外力不是力。合外力從定義上來(lái)說(shuō)，是很多個(gè)外力的表現(xiàn)形式。比如重力和支持力的合力，或者電場(chǎng)力和重力的合力等等。
同樣，向心力也不是力，也是其他力的表現(xiàn)形式。只不過(guò)用“向心”二字來(lái)讓“表現(xiàn)形式”具體了起來(lái)?；蛘哒f(shuō)是“表達(dá)出來(lái)”這些力的綜合效果是“向心”的。
當(dāng)然，對(duì)于向心力來(lái)說(shuō)，也有一個(gè)力來(lái)提供向心力的情況。比如，洛倫茲力下帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。
高中物理彈力的知識(shí)點(diǎn)
彈力的概念
在新課標(biāo)必修1第55頁(yè)有彈力的如下定義：發(fā)生彈性形變的物體，由于要恢復(fù)原長(zhǎng)，對(duì)其接觸的物體產(chǎn)生力的作用，這種力叫彈力。
定義中的彈性形變指的是能夠恢復(fù)原狀的形變;并不是所有的形變都是彈性形變。
彈力與重力、摩擦力一起并稱力學(xué)三大典型力。
我們?cè)诟咧形锢眍}目中最典型的彈力就是彈簧的彈力。從彈力定義來(lái)說(shuō)，日常生活中的壓力、支持力、繩子拉力都是彈力。比如，一本書(shū)放在桌面上，桌面給其的支持力就是彈力，只不過(guò)桌面的彈性形變很小，我們?nèi)庋塾^察不到。
彈力的方向
彈力的方向研究是一個(gè)考點(diǎn)，如果是綜合題，涉及到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，彈力方向判斷就很不容易;比如，豎直方向彈簧放置的振動(dòng)模式。
下面我們來(lái)一起研究彈力的方向。彈力的方向的規(guī)定：壓力、支持力的方向總是垂直于接觸面，指向被擠壓或被支持的物體。
繩對(duì)物體的拉力(拉力是彈力中的一種)總是沿著繩指向繩收縮的方向。不難看出，彈力方向的分析遠(yuǎn)比重力方向復(fù)雜。
彈力的大小
高中物理中彈力問(wèn)題是非常重要的考點(diǎn)。尤其是涉及到豎直放置彈簧、多物體連接的，且涉及到摩擦了綜合問(wèn)題，在高考試題和?？碱}中經(jīng)常出現(xiàn)。
我們還是先來(lái)復(fù)習(xí)課本上彈力的大小的相關(guān)規(guī)定。高中物理階段，我們研究彈力的大小都是滿足胡克定律的。胡克定律可表示為(在彈性限度內(nèi))：F=kx，(形變量可以是伸長(zhǎng)量也可以是壓縮量);此公式還可以表示成ΔF=kΔx，即彈簧彈力的大小改變量和彈簧形變量的改變量也成正比。
兩根彈簧串聯(lián)后組成的“新彈簧”總勁度變小;兩根彈簧并聯(lián)后組成的“新彈簧”總勁度變大。如果您沒(méi)有推導(dǎo)過(guò)，請(qǐng)課下自己推導(dǎo)下。
下面我們來(lái)講解彈性勢(shì)能的概念，因?yàn)閺椈傻膯?wèn)題，總是結(jié)合著能量的變化;對(duì)彈性勢(shì)能的考察，是全國(guó)各地高考的一大熱點(diǎn)和難點(diǎn)。而且，筆者預(yù)測(cè)在接下來(lái)北京高考物理壓軸題中很有可能會(huì)考察到彈力。
彈性勢(shì)能的概念
彈性勢(shì)能指的是發(fā)生彈性形變的物體各部分之間，由于有彈力的作用所具有的勢(shì)能。同一彈性物體在一定范圍內(nèi)形變?cè)酱?，具有的彈性?shì)能就越多，反之，則越小。
確定彈力勢(shì)能的大小需選取零勢(shì)能的狀態(tài)，一般選取彈簧未發(fā)生任何形變，而處于自由狀態(tài)的情況下其彈力勢(shì)能為零。對(duì)于彈簧來(lái)說(shuō)，彈性勢(shì)能和彈簧的勁度系數(shù)k、形變量Δx有關(guān)，與其他物理量無(wú)關(guān)。
E彈=1/2 k*x^2;這個(gè)公式不屬于北京地區(qū)高考物理大綱要求內(nèi)容，但是記住總比不記要好。
彈性勢(shì)能和彈力所做的功的對(duì)應(yīng)關(guān)系
彈力做功與彈性勢(shì)能變化的關(guān)系：彈力做正功，彈性勢(shì)能減少;彈力做負(fù)功，彈性勢(shì)能增加。這一點(diǎn)與重力做的功與重力勢(shì)能的分析是類似的。
對(duì)于同一物體，彈力所做的功的絕對(duì)值和彈性勢(shì)能的改變量的絕對(duì)值是相等的。彈力的具體應(yīng)用往往出現(xiàn)在機(jī)械能、動(dòng)量、電磁學(xué)中，一般來(lái)說(shuō)這些問(wèn)題都不會(huì)僅僅考彈力的大小或者方向，都會(huì)涉及到勢(shì)能的討論;下面我們就來(lái)給大家做詳細(xì)講解。
彈性勢(shì)能的求法與公式推導(dǎo)
彈簧彈性勢(shì)能的分析是高考物理力學(xué)題的一大難點(diǎn)，尤其是涉及到彈簧豎直放置、含有碰撞等過(guò)程的時(shí)候。
由于高中物理并沒(méi)有要求大家理解彈性勢(shì)能的定義，因此彈簧的彈性勢(shì)能的計(jì)算總是通過(guò)動(dòng)量、能量守恒或者功能關(guān)系;換句話來(lái)說(shuō)，就是借助于外界功或者能的方法來(lái)進(jìn)行分析。我們下面就來(lái)具體分析下彈性勢(shì)能公式的推導(dǎo)過(guò)程。
高中數(shù)學(xué)微積分掌握比較好的學(xué)生，也可以通過(guò)積分的方法來(lái)求解。從彈力的定義式(F彈=kΔx)來(lái)看，F(xiàn)彈隨x的變化關(guān)系為一次線性函數(shù)，通過(guò)積分不難得出：E彈=1/2 k*Δx^2;這種數(shù)學(xué)微分思想在高中物理中的應(yīng)用問(wèn)題，在平時(shí)需要大家多去分析探究，這類結(jié)合的問(wèn)題不僅僅是高考物理，同時(shí)也是近幾年自主招生考試命題的一大趨勢(shì)。
對(duì)于數(shù)學(xué)微積分知識(shí)掌握不是特別理想的學(xué)生也不用氣餒，我們可以借助于圖像陰影面積的求法來(lái)探究彈力所做的功。
這種求法得到的答案也是一致的：E彈=1/2 k*Δx^2;在求彈簧的彈力做功時(shí)，因該變力為線性變化，可以先求平均彈力大小，再用功的定義進(jìn)行計(jì)算(很多題目是利用動(dòng)能定理和功能關(guān)系，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律求解)。
在這里要提醒大家的是，一次線性關(guān)系可以這么來(lái)求，二次函數(shù)關(guān)系不能利用這種方法。比如，當(dāng)電流為變量的時(shí)候，求電熱Q時(shí)，利用公式Q=I*I*Rt，對(duì)Q的求法只能對(duì)I進(jìn)行積分。
同時(shí)要注意彈力做功的特點(diǎn)：彈力做功等于彈性勢(shì)能增量的負(fù)值。上面給出大家的彈性勢(shì)能的公式，高考不作定量要求，可作定性討論。
因此筆者在前文中講到，在求彈力的功或彈性勢(shì)能的改變時(shí)，一般以能量的轉(zhuǎn)化與守恒的角度來(lái)求解。
彈簧的考題與能量聯(lián)系緊密
從歷年物理試卷分析來(lái)看，彈力的方向判斷總是結(jié)合受力分析、機(jī)械能守恒定律、動(dòng)量、電磁感應(yīng)進(jìn)行綜合性命題。
高中物理中的彈力是力學(xué)三大常見(jiàn)力之一，彈力的方向分析是這三個(gè)力中最難的。簡(jiǎn)單的彈力的方向判斷沒(méi)有任何考察的意義，因?yàn)閰^(qū)分度太小(大家都會(huì)做)，因此學(xué)會(huì)在這些綜合題中應(yīng)用就顯得非常重要。
前文中講到的彈力的方向規(guī)定必須銘記于心，這是解決任何綜合題中彈力方向的基礎(chǔ)。另外筆者建議大家最好結(jié)合一些典型的例題來(lái)幫助大家記憶;而且，這些典型題最后隔一段時(shí)間就再?gòu)?fù)習(xí)一遍。這樣在處理考試中彈簧類解答題時(shí)，大家才不會(huì)因?yàn)閺椓Ω拍罨蚍较蚺卸ǘ鴣G分或影響答題時(shí)間。
一些高考試題或模擬考題中，彈簧豎直方向放置。這類問(wèn)題的考察，在彈力的基礎(chǔ)上融入了重力的因素，往往有借助于兩個(gè)物體相碰導(dǎo)致的振動(dòng)情況分析，無(wú)疑增加了難度。
高考物理對(duì)彈力的考察
在高中物理中，彈力的大小是非常重要的考點(diǎn)，尤其是涉及到豎直放置彈簧、多物體連接的彈力大小分析問(wèn)題。
這些問(wèn)題在高考物理真題和模考題中經(jīng)常出現(xiàn)，從得分的角度來(lái)看，大家在彈力大小判斷上丟分是很嚴(yán)重的。
彈力大小的分析一般來(lái)說(shuō)比較困難，這是由于：彈力的大小與位移變化緊密聯(lián)系，而位移的變化有由速度決定，速度取決于由彈力和其他外力綜合決定的加速度。這是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，因此，彈力綜合問(wèn)題的處理有相當(dāng)?shù)碾y度。
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