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2017版高考物理一轮复习 第二章 相互作用 实验三 验证力的平行四边形定则课件

时间:2016-07-22


实验三

验证力的平行四边形定则

前期准备· 明确原理——知原理 抓住关键
【实验目的】 1.验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。 2.学会用作图法处理实验数据和得出实验结论。

【实验原理】 等效思想:使一个力 F′的作用效果和两个力 F1 和 F2 的作用效果相同,都是使同一条一端固定的橡皮

条伸长到 同一点 O,即伸长量相同,所以 F′为 F1 和 F2 的合力,作 出力 F′的图示,再根据平行四边形定则作出力 F1 和 F2 的 合力 F 的图示,比较 F、F′在实验误差允许的范围内是否 大小相等、方向相同。

【实验器材】 方木板、 白纸、 弹簧测力计(两个)、 橡皮条、 细绳套(两 个)、三角板、刻度尺、图钉、铅笔。

再现实验· 重视过程——看过程 注重数据
1.仪器安装 (1)如图所示,用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。

(2)用图钉把橡皮条的一端固定在 A 点,橡皮条的另一端拴 上两个细绳套。

2.测量与记录 (1)用两个弹簧测力计分别钩住细绳套, 互成角度地拉橡皮 条,使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置 O,记录两弹簧测力 计的读数 F1、 F2 , 用铅笔描下 O 点的位置及此时两细绳的方向。 (2) 只用一个弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到 同样的位置 O,记下弹簧测力计的读数 F′和细绳套的方向。 (3) 改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再重做两次实 验。

【数据处理】 1.用铅笔和刻度尺从结点 O 沿两条细绳方向画直线,按 选定的标度作出这两个弹簧测力计的拉力 F1 和 F2 的图示, 并以 F1 和 F2 为邻边用刻度尺作平行四边形, 过 O 点画平行四边形的 对角线,此对角线即为合力 F 的图示。 2.用刻度尺从 O 点按同样的标度沿记录的方向作出实验 步骤 4 中弹簧测力计的拉力 F′的图示。 3. 比较 F 与 F′是否完全重合或几乎完全重合, 从而验证平 行四边形定则。

【误差分析】 1.系统误差:弹簧测力计本身不够准确造成的误差,为此 要选择比较准确的弹簧测力计。 2.偶然误差:弹簧测力计读数和作图造成偶然误差,需要 多做几次实验,并且使两分力 F1、F2 的夹角适当大。

【注意事项】 1.使用弹簧测力计前,要先观察指针是否指在零刻度处,若 指针不在零刻度处,要设法调整指针,使其指在零刻度处。再将 两只弹簧测力计的挂钩钩在一起,向相反方向拉,如果两个示数 相同方可使用。 2.实验中的两个细绳套不要太短。 3. 在同一次实验中, 使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。

4.用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时,夹角 不宜太大也不宜太小,在 60°~100°之间为宜。 5. 在用力拉弹簧测力计时, 拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。 弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的 同一平面内。要防止弹簧测力计卡壳,防止弹簧测力计或橡皮条 与纸面有摩擦。 6.在同一实验中,画力的图示选定的标度要相同,并且要恰 当选定标度,使力的图示稍大一些。

剖析考点· 瞄准热点——析考点 强化认识 考点一
[典题 1]

实验原理与操作

(2015· 安徽高考) 在“验证力的平行四

边形定则”实验中,某同学用图钉把白纸固定在水 平放置的木板上, 将橡皮条的一端固定在板上一点, 两个细绳套系在橡皮条的另一端。用两个弹簧测力 计分别拉住两个细绳套,互成角度地施加拉力,使 橡皮条伸长,结点到达纸面上某一位置,如图所示。请将以下的实 验操作和处理补充完整:

①用铅笔描下结点位置,记为 O; ②记录两个弹簧测力计的示数 F1 和 F2, 沿每条细绳(套)的方向 用铅笔分别描出几个点,用刻度尺把相应的点连成线; ③只用一个弹簧测力计, 通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位 置 O,记录测力计的示数 F3,____________________________; ④按照力的图示要求,作出拉力 F1、F2、F3; ⑤根据力的平行四边形定则作出 F1 和 F2 的合力 F; ⑥比较________的一致程度,若有较大差异,对其原因进行分 析,并作出相应的改进后再次进行实验。

[解析] ③用铅笔描出绳上的几个点,用刻度尺把这些点 连成直线(画拉力的方向),目的是画出同两分力产生相同效果 的这个力的方向。 ⑥F 与 F3 作比较,即比较用平行四边形作出的合力和产 生相同效果的实际的力是否相同, 即可验证力的平行四边形定 则的正确性。 [答案] ③沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点,用 ⑥F 与 F3

刻度尺把这些点连成直线

1.在“验证力的平行四边形定则”的实验中, 有下列实验步骤: a. 在桌上放一块方木板, 在方木板上垫一张 白纸,把橡皮条的一端固定在板上的 A 点。 b. 只用一只弹簧秤, 通过细绳把橡皮条的结点拉到同样位置 O,记下弹簧秤的示数 F′和细绳的方向,按同样比例做出力 F′的 图示。 c.改变两个分力的大小和夹角,再做两次实验。

d.记下两只弹簧秤的示数 F1、F2 及结点的位置,描下两条细 绳的方向,在纸上按比例做出力 F1 和 F2 的图示,用平行四边形定 则求出合力 F。 e. 比较力 F′与 F, 可以看出, 它们在实验误差范围内是相等的。 f.把两条细绳系在橡皮条的另一端,通过细绳用两个弹簧秤互 成角度拉橡皮条,橡皮条伸长,使结点到达某一位置 O。 上述步骤中,正确的顺序是________(填写步骤前面的字母)。

解析:先固定好白纸和橡皮条,两个弹簧测力计拉橡皮条到结 点 O,记下两个力的大小和方向,然后用一个弹簧测力计拉橡皮条 到 O 点,记下拉力的大小和方向,由平行四边形画出两个力的合力, 与第二次的一个力比较大小和方向;改变两个分力的大小和夹角, 重复实验;故实验步骤为 afdbec。 答案:afdbec

2.(2016· 襄阳模拟)某同学做“验证力的平行四边形定则”的实 验情况如图甲所示,其中 A 为固定橡皮条的图钉,O 为橡皮条与细 绳的结点,OB 与 OC 为细绳。图乙是在白纸上根据实验结果画出的 图。

(1)如果没有操作失误,图乙中的 F 与 F′两力中,方向一定沿 AO 方向的是________。 (2)本实验采用的科学方法是________。 A.理想实验法 C.控制变量法 (3)实验时,主要的步骤是: A.在桌上放一块方木板,在方木板上铺一张白纸,用图钉把 白纸钉在方木板上; B.用图钉把橡皮条的一端固定在板上的 A 点,在橡皮条的另 一端拴上两条细绳,细绳的另一端系着绳套; B.等效替代法 D.建立物理模型法

C.用两个弹簧测力计分别钩住绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡 皮条伸长,结点到达某一位置 O。记录下 O 点的位置,读出两个弹簧 测力计的示数 F1 和 F2; D.按选好的标度,用铅笔和刻度尺作出两个弹簧测力计的拉力 F1 和 F2 的图示,并用平行四边形定则求出合力 F; E.只用一个弹簧测力计,通过细绳套拉橡皮条使其伸长,读出弹 簧测力计的示数 F′,记下细绳的方向,按同一标度作出 F′的图示; F.比较 F′和 F 的大小和方向,看它们是否相同,得出结论。 上述步骤中: ①有重要遗漏的步骤的序号是______和________; ②遗漏的内容分别是______________和_______________。

解析: (1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至 O 点的拉力一定沿 AO 方向;而根据平行四边形定则作出的合力,由于误差的存在,不 一定沿 AO 方向,故一定沿 AO 方向的是 F′。 (2)一个力的作用效果与两个力的作用效果相同,它们的作用 效果可以等效替代,B 正确。 (3)① 根据 “ 验证力的平行四边形定则 ” 实验的操作步骤可 知,有重要遗漏的步骤的序号是 C、E。

②在 C 中未记下两条细绳的方向, E 中未说明是否把橡皮 条的结点拉到同一位置 O。 答案:(1)F ′ (2)B (3)①C E ②C 中应加上“记下两 条细绳的方向” 置 O” E 中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位

考点二

数据处理和误差分析

[典题 2] (2015· 山东高考)某同学通过下述实验验证力的 平行四边形定则。 实验步骤: ①将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上, 使其轴线沿竖 直方向。

②如图甲所示, 将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上, 另一端用圆珠笔尖竖直向下拉,直到弹簧秤示数为某一设定 值时,将橡皮筋两端的位置标记为 O1、O2,记录弹簧秤的示 数 F,测量并记录 O1、O2 间的距离(即橡皮筋的长度 l)。每次 将弹簧秤示数改变 0.50 N,测出所对应的 l,部分数据如下表 所示: F/N 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

l/cm l0 10.97 12.02 13.00 13.98 15.05

③找出②中 F=2.50 N 时橡皮筋两端的位置,重新标记为 O、 O′,橡皮筋的拉力记为 FO O。 ④在秤钩上涂抹少许润滑油,将橡皮筋搭在秤 钩上,如图乙所示。用两圆珠笔尖成适当角度同 时拉橡皮筋的两端,使秤钩的下端达到 O 点,将 两笔尖的位置标记为 A、B,橡皮筋 OA 段的拉力 记为 FOA,OB 段的拉力记为 FOB。

完成下列作图和填空: (1)利用表中数据在图丙所示的坐标纸上画出 F?l 图线,根据图 线求得 l0=________ cm。

(2)测得 OA=6.00 cm, OB=7.60 cm, 则 FOA 的大小为_______ N。 (3)根据给出的标度,在图丁中作出 FOA 和 FOB 的合力 F′的图 示。

(4)通过比较 F′与________的大小和方向, 即可得出实验结论。

[解析] (1)在坐标系中描点, 用平滑的曲线(直线)将各点连接起 来,不在直线上的点均匀分布在直线的两侧。如图甲所示,由图线 可知与横轴的交点 l0=10.0 cm。

(2)橡皮筋的长度 l=OA+OB=13.60 cm,由图甲可得 F=1.80 N,所以 FOA=FOB=F=1.80 N。

(3)利用给出的标度作出 FOA 和 FOB 的图示,然 后以 FOA 和 FOB 为邻边的平行四边形,对角线即 为合力 F′,如图乙所示。 (4)FO
O′的作用效果和

FOA、FOB 两个力的

作用效果相同,F′是 FOA、FOB 两个力的合力, 所以只要比较 F′和 FO O′的大小和方向,即可得出实验结论。 [答案] (1) 如 图 甲 所 示 10.0(9.8 、 9.9 、 10.1 均 正 确 ) (4)FO O′

(2)1.80(1.70~1.90 均正确)

(3)如图乙所示

1.(2016· 淮南质检)在探究求合力的方法时,先将橡皮条的一 端固定在水平木板上,另一端系上带有绳套的两根细绳,实验时, 需要两次拉伸橡皮条,一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度 地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条。

同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益 的说法是________(填字母代号)。 A.两细绳必须等长 B.弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行 C.拉橡皮条的细绳要适当长些,标记同一细绳方向的两点 要适当远些 D.用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大

解析:通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条时,并 非要求两细绳等长,故 A 错误;测量力的实验要求尽量准确,为 了减小实验中因摩擦造成的误差,操作中要求弹簧秤、细绳、橡 皮条都应与木板平行, 故 B 正确; 为了更加准确地记录力的方向, 拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些,故 C 正确;用弹簧秤同时拉细绳时,拉力不能太大,也不能太小,故 D 错误。 答案:BC

2.在“验证力的平行四边形法则” 实验中,需要将橡皮条的一端固定在 水平木板上,另一端系上两根细绳, 细绳的另一端都有绳套(如图甲)。 实验 中需用两个弹簧测力计分别勾住绳套,并互成角度地拉橡皮条。 某同学认为在某同学的实验结果(如图乙),其中 A 为固定橡皮条 的图钉,O 为橡皮条与细绳结点的位置。图________中是 F1 与 F2 的合力的理论值;________是力 F1 与 F2 合力的实验值;通过 把______和________进行比较,验证平行四边形法则。

解析:F1 与 F2 合成的理论值是通过平行四边形定则算出的 值,而实际值是单独一个力拉 O 点的时的值,因此 F 是 F1 与 F2 合成的理论值,F′是 F1 与 F2 合成的实际值;在实验误差允许的 范围内,比较 F1 与 F2 合成的理论值 F(通过平行四边形定则得出 的值)与实际值 F′(实际实验的数值)的关系验证平行四边形法则。 答案:F F′ F F′

考点三

实验创新设计

[典题 3] (2014· 江苏高考)小明通过实验验证力的平行四边 形定则。 (1)实验记录纸如图甲所示, O 点为橡皮筋被 拉伸后伸长到的位置,两弹簧测力计共同作用 时,拉力 F1 和 F2 的方向分别过 P1 和 P2 点;一 个弹簧测力计拉橡皮筋时,拉力 F3 的方向过 P3 点。三个力的大小分别为:F1=3.30 N、F2 甲

=3.85 N 和 F3=4.25 N。请根据图中给出的标度作图求出 F1 和 F2 的合力。

(2)仔细分析实验, 小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹 性发生了变化,影响实验结果。他用弹簧测力计先后两次将橡皮 筋拉伸到相同长度,发现读数不相同,于是进一步探究了拉伸过 程对橡皮筋弹性的影响。 实验装置如图乙所示,将一张白纸固定在竖直放置的木板 上,橡皮筋的上端固定于 O 点,下端 N 挂一重物。用与白纸平行 的水平力缓慢地移动 N,在白纸上记录下 N 的轨迹。重复上述过 程,再次记录下 N 的轨迹。

两次实验记录的轨迹如图丙所示。过 O 点作一条直线与轨迹交 于 a、b 两点,则实验中橡皮筋分别被拉伸到 a 和 b 时所受拉力 Fa、 Fb 的大小关系为________。

(3)根据(2)中的实验, 可以得出的实验结果有哪些?(填写选项前 的字母)( )

A.橡皮筋的长度与受到的拉力成正比 B.两次受到的拉力相同时,橡皮筋第 2 次的长度较长 C.两次被拉伸到相同长度时,橡皮筋第 2 次受到的拉力较大 D.两次受到的拉力相同时,拉力越大,橡皮筋两次的长度之差 越大 (4)根据小明的上述实验探究,请对验证力的平行四边形定则实 验提出两点注意事项。

[解析] (1)作出力的图示如图所示。

(2)以重物为研究对象,进行受力分析:重物受到重力、 水平向右的拉力和橡皮筋的拉力, 重物处于静止状态的合力为 零,因橡皮筋的拉力方向相同,故橡皮筋的拉力相等。

(3)橡皮筋的形变量和所受到的力有关,A 错误;从图上看, 第二次运动轨迹远离 O 点,橡皮筋第 2 次的形变量大,B 正确; 两次拉伸到相同长度,第二次对应的力小,C 错误;拉力越大,由 题图丙可得橡皮筋两次的长度差越大,D 正确。 (4)注意选取橡皮筋的技巧:一要新,二要弹性好,三不要超 过弹性限度。故拉力不应该太大;橡皮筋不能太长;选用弹性较好 的橡皮筋。 [答案] (1)见解析图(F 合=4.60 N~4.90 N 均正确) (3)BD (2)Fa=Fb

(4)橡皮筋拉伸不宜过长;选用新橡皮筋。 (或拉力不宜过

大;选用弹性好的橡皮筋)

1.如图所示,某同学在家中尝试验证平行 四边形定则,他找到三条相同的橡皮筋(遵 循胡克定律)和若干小重物,以及刻度尺、 三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子,设计 了如下实验:将两条橡皮筋的一端分别挂 在墙上的两个钉子 A、B 上,另一端与第三 条橡皮筋连接,结点为 O,将第三条橡皮筋的另一端通过细绳 挂一重物。

(1)为完成该实验,下述操作中不需要的是________。 A.测量细绳的长度 B.测量橡皮筋的原长 C.测量悬挂重物后橡皮筋的长度 D.记录悬挂重物后结点 O 的位置 (2)钉子位置固定,欲利用现有器材,改变条件再次验证,可采 用的方法是_____________________________________________。

解析:(1)用橡皮筋验证平行四边形定则需要测量的是三条橡 皮筋的伸长量及其拉伸的方向,与细绳的长度无关,故选项中 A 不需要,B 和 C 是需要的;为了确保力的合成的等效性,悬挂重 物后结点 O 的位置必须相同,所以 D 也是必需的。 (2)因为钉子的位置已固定,为了继续进行实验,可改变重物 的质量再次进行验证。 答案:(1)A (2)更换不同的小重物

2.如图所示,某实验小组同学利用 DIS 实验装置研究支架上 力的分解。A、B 为两个相同的双向力传感器,该型号传感器在受到 拉力时读数为正,受到压力时读数为负。A 连接质量不计的细绳, 可沿固定的板做圆弧形移动。B 固定不动,通过光滑铰链连接长 0.3 m 的杆。将细绳连接在杆右端 O 点构成支架。保持杆在水平方向, 按如下步骤操作:

①测量绳子与水平杆的夹角∠AOB=θ ②对两个传感器进行调零 ③用另一根绳在 O 点悬挂一个钩码,记录两传感器的读数 ④取下钩码,移动传感器 A 改变 θ 角 重复上述实验步骤,得到表格。 F1/N 1.001 0.580 ? 1.002 ?

F2/N -0.868 -0.291 ? 0.865 ? θ 30° 60° ? 150° ?

(1)根据表格数据,A 传感器对应的是力________(选填“F1” 或“F2”),钩码质量为________ kg(保留一位有效数字)。 (2)本实验中多次对传感器进行调零, 对此操作说明正确的是 ( ) A.因为事先忘记调零 B.何时调零对实验结果没有影响 C.为了消除横杆自身重力对结果的影响 D.可以完全消除实验的误差

解析:(1)A 传感器中的力均为正值,故 A 传感器对应的是表 中力 F1,平衡时,mg=F1sin θ,当 θ=30°时,F1=1.001 N,可 求得 m≈0.05 kg。 (2)在挂钩码之前,对传感器进行调零,目的是为了消除横杆 自身重力对结果的影响,故 C 正确。 答案:(1)F1 0.05 (2)C


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