2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)增分 專題3 驗(yàn)證力的平行四邊形定則學(xué)案

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1、 實(shí)驗(yàn)三　驗(yàn)證力的平行四邊形定則 考綱要求 考情分析 命題趨勢 研究力的平行四邊形定則 2017·全國卷Ⅲ，22 對(duì)本實(shí)驗(yàn)的考查主要側(cè)重于基本實(shí)驗(yàn)步驟細(xì)節(jié)的落實(shí)、實(shí)驗(yàn)誤差的分析、等效法的理解等，當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)也可以通過其他形式的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，遇到這種情況要注意創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)與基本實(shí)驗(yàn)的區(qū)別和聯(lián)系 知識(shí)梳理·夯實(shí)基礎(chǔ) 一、實(shí)驗(yàn)流程 二、誤差分析 1．誤差來源 除彈簧測力計(jì)本身的誤差外，還有讀數(shù)誤差、作圖誤差等． 2．減小誤差的方法 (1)結(jié)點(diǎn)O ①定位O點(diǎn)時(shí)要力求準(zhǔn)確． ②同一次實(shí)驗(yàn)中橡皮條拉長后的O點(diǎn)必須保持不變． (2)拉力 ①用彈簧測力計(jì)測拉力時(shí)要使拉

2、力沿彈簧測力計(jì)軸線方向． ②應(yīng)盡量使橡皮條、彈簧測力計(jì)和細(xì)繩套位于與紙面平行的同一平面內(nèi)． ③兩個(gè)分力F1、F2間的夾角θ不要太大或太小． (3)作圖 ①在同一次實(shí)驗(yàn)中，選定的標(biāo)度要相同． ②嚴(yán)格按力的圖示要求和幾何作圖法作出平行四邊形，求出合力． 三、注意事項(xiàng) 操作不忘“三”“二”“一” 用兩個(gè)彈簧測力計(jì)拉橡皮條時(shí)的“三記錄”(記錄兩彈簧測力計(jì)示數(shù)、兩細(xì)繩方向和結(jié)點(diǎn)O的位置)，用一個(gè)彈簧測力計(jì)拉橡皮條時(shí)的“二記錄”(記錄彈簧測力計(jì)示數(shù)和細(xì)繩方向)及“一注意”(結(jié)點(diǎn)O的位置必須在同一位置)等． 四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)彈簧測力計(jì)也可以完成實(shí)驗(yàn)，具體操作如下： 1．把兩條

3、細(xì)繩中的一條細(xì)繩與彈簧測力計(jì)連接，另一條細(xì)繩用手直接抓住，然后同時(shí)拉這兩條細(xì)繩，使結(jié)點(diǎn)至O點(diǎn)，記下兩條細(xì)繩的方向和彈簧測力計(jì)的示數(shù)F1. 2．放回橡皮條后，將彈簧測力計(jì)連接到另一細(xì)繩上，然后同時(shí)拉這兩條細(xì)繩，使結(jié)點(diǎn)至O點(diǎn)，并使兩條細(xì)繩位于記錄下來的方向上，讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)F2. 其他步驟與提供兩個(gè)彈簧測力計(jì)相同． 這種操作的優(yōu)點(diǎn)是能減小因兩個(gè)彈簧測力計(jì)的不同而帶來的誤差，但實(shí)驗(yàn)過程麻煩． 核心考點(diǎn)·分層突破 考點(diǎn)1　實(shí)驗(yàn)原理與操作 [例1](2018·江西南昌模擬)某同學(xué)用鉤碼和彈簧測力計(jì)做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)． (1)請(qǐng)將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容補(bǔ)充完整： A．將一根橡皮筋的一

4、端固定在貼有白紙的豎直平整木板上，在另一端綁上兩根系有細(xì)繩套的細(xì)線． B．其中一根細(xì)線掛上5個(gè)質(zhì)量相等的鉤碼(每個(gè)鉤碼質(zhì)量均為50 g)，使橡皮筋拉伸，如圖甲所示，記錄__鉤碼的個(gè)數(shù)(細(xì)線上的拉力)__、結(jié)點(diǎn)的位置O和細(xì)線方向． C．將圖甲中鉤碼取下一個(gè)，并將細(xì)線用一光滑鐵釘B(可隨時(shí)固定)支開，在另一細(xì)線上掛上彈簧測力計(jì)，使兩細(xì)線成一定角度，拉彈簧測力計(jì)，如圖乙所示，圖中α、β可測定，當(dāng)＝時(shí)，橡皮筋正好位于豎直方向且橡皮筋與細(xì)線結(jié)點(diǎn)的位置與步驟B中結(jié)點(diǎn)的位置O重合，此時(shí)彈簧測力計(jì)的示數(shù)應(yīng)為__1.5__N.(當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭＝10 m/s2) (2)本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是__B__

5、. A．理想實(shí)驗(yàn)法 B．等效替代法 C．控制變量法 D．建立物理模型法 解析　(1)由實(shí)驗(yàn)原理可知本實(shí)驗(yàn)利用等效替代法來驗(yàn)證“力的平行四邊形定則”，圖甲中鉤碼的重力即合力大小，細(xì)線方向即合力方向，所以應(yīng)記錄鉤碼的個(gè)數(shù)(細(xì)線上的拉力)、結(jié)點(diǎn)O的位置和細(xì)線方向，在用鉤碼和彈簧測力計(jì)一起拉橡皮筋時(shí)，一定要將橡皮筋與細(xì)線結(jié)點(diǎn)的位置與步驟B中結(jié)點(diǎn)的位置O重合，此時(shí)應(yīng)記錄鉤碼個(gè)數(shù)、彈簧測力計(jì)示數(shù)及對(duì)應(yīng)的細(xì)線方向，分析圖乙中結(jié)點(diǎn)的受力情況可得水平方向有4mgcos α＝Fcos β，代入數(shù)據(jù)得彈簧測力計(jì)的示數(shù)應(yīng)為F＝3mg＝1.5 N. (2)由(1)知是等效替代法． 考點(diǎn)2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 [例

6、2](2017·全國卷Ⅲ)某探究小組做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)，將畫有坐標(biāo)軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1 mm)的紙貼在水平桌面上，如圖甲所示．將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(diǎn)(位于圖示部分之外)，另一端P位于y軸上的A點(diǎn)時(shí)，橡皮筋處于原長． (1)用一只測力計(jì)將橡皮筋的P端沿y軸從A點(diǎn)拉至坐標(biāo)原點(diǎn)O，此時(shí)拉力F的大小可由彈簧測力計(jì)讀出．彈簧測力計(jì)的示數(shù)如圖乙所示，F(xiàn)的大小為__4.0__N. (2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點(diǎn)；現(xiàn)使用兩個(gè)測力計(jì)同時(shí)拉橡皮筋，再次將P端拉至O點(diǎn)．此時(shí)觀察到兩個(gè)拉力分別沿圖甲中兩條虛線所示的方向，由測力計(jì)的示數(shù)讀出兩個(gè)拉力的大小

7、分別為F1＝4.2 N和 F2＝5.6 N. ①用5 mm長度的線段表示1 N的力，以O(shè)為作用點(diǎn)，在圖甲中畫出力F1、F2的圖示，然后按平行四邊形定則畫出它們的合力F合； ②F合的大小為__4.0__N，F(xiàn)合與拉力F的夾角的正切值為__0.05__.若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實(shí)驗(yàn)所允許的誤差范圍之內(nèi)，則該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了力的平行四邊形定則． 解析　(1)彈簧測力計(jì)的分度值為0.2 N，F(xiàn)的大小為4.0 N. (2)①圖見答案．分別以F1、F2為鄰邊作平行四邊形，并作出對(duì)角線，即得F合．②表示F合的線段的長度為20.0 mm，F(xiàn)合＝×1 N＝4.0 N．F合與拉力F的夾角的正切值

8、為tan θ≈＝0.05. 答案　(2)①F1、F2和F合如圖所示 考點(diǎn)3　實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方案 1．將水平面內(nèi)改為在豎直平面內(nèi)做實(shí)驗(yàn)，拉橡皮筋改為懸掛重物，可避免橡皮筋彈性變化帶來的誤差． 2．彈簧測力計(jì)用力傳感器取代，可避免摩擦的影響，使讀數(shù)更方便、精確． [例3](2018·安徽合肥模擬)一同學(xué)用電子秤、水壺、細(xì)線、墻釘和貼在墻上的白紙等物品，在家中驗(yàn)證力的平行四邊形定則． (1)如圖甲，在電子秤的下端懸掛一裝滿水的水壺，記下水壺__靜止__時(shí)電子秤的示數(shù)F. (2)如圖乙，將三細(xì)線L1、L2、L3的一端打結(jié)，另一端分別拴在電子秤的掛鉤、墻釘A和水壺杯帶上．水平拉開細(xì)線L1

9、，在白紙上記下結(jié)點(diǎn)O的位置、__三細(xì)線的方向__和電子秤的示數(shù)F1. (3)如圖丙，將另一顆墻釘B釘在與O同一水平位置上，并將L1拴在其上．手握電子秤沿著(2)中L2的方向拉開細(xì)線L2，使__結(jié)點(diǎn)O的位置__和三根細(xì)線的方向與(2)中重合，記錄電子秤的示數(shù)F2. (4)在白紙上按一定標(biāo)度作出電子秤拉力F、F1、F2的圖示，根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′的圖示，若__F和F′在誤差允許的范圍內(nèi)重合__，則平行四邊形定則得到驗(yàn)證． 解析　(1)要測量裝滿水的水壺的重力，則記下水壺靜止時(shí)電子秤的示數(shù)F. (2)要畫出平行四邊形，則需要記錄分力的大小和方向，所以在白紙上記下結(jié)點(diǎn)O的

10、位置的同時(shí)也要記錄三細(xì)線的方向以及電子秤的示數(shù)F1. (3)已經(jīng)記錄了一個(gè)分力的大小，還要記錄另一個(gè)分力的大小，則結(jié)點(diǎn)O的位置不能變化，力的方向也都不能變化，所以應(yīng)使結(jié)點(diǎn)O的位置和三根細(xì)線的方向與(2)中重合，記錄電子秤的示數(shù)F2. (4)根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′的圖示，若F和F′在誤差允許的范圍內(nèi)重合，則平行四邊形定則得到驗(yàn)證． 對(duì)應(yīng)演練·遷移運(yùn)用 1．(2017·上海黃浦模擬)根據(jù)要求，完成“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)． (1)如圖甲所示，把白紙固定在木板上后，再把木板豎立在桌面上，用圖釘把橡皮筋的一端固定在A點(diǎn)，另一端B連接兩條輕繩，跨過定滑輪后各拴一細(xì)

11、繩套，分別掛上3個(gè)鉤碼和4個(gè)鉤碼(每個(gè)鉤碼重1 N)，調(diào)整滑輪的位置，穩(wěn)定后結(jié)點(diǎn)B位于O處，記下__O的位置__和兩條細(xì)繩的方向，取下滑輪及鉤碼． (2)如圖乙所示，取某單位長度表示1 N，用力的圖示作出兩條細(xì)繩的拉力F1和F2；再用一個(gè)彈簧測力計(jì)把結(jié)點(diǎn)B也拉至O處，記下彈簧測力計(jì)的讀數(shù)F′＝__5.0__N，取下彈簧測力計(jì)． (3)在圖丙中作出F1和F2的合力F及拉力F′的圖示． (4)對(duì)比F和F′的大小和方向，發(fā)現(xiàn)它們不是完全一致的，其可能的原因是__見解析__.(填一個(gè)原因) 解析　(1)本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)記錄結(jié)點(diǎn)O的位置． (2)讀數(shù)為5.0 N. (3)力的圖示如圖所示．

12、(4)產(chǎn)生誤差的原因有測量存在誤差、作圖沒有畫準(zhǔn)、滑輪與繩之間的摩擦力等． 2．(2018·山西太原模擬)在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中，需要將橡皮筋的一端固定在水平木板上，另一端系上兩根細(xì)繩，O為橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)． (1)實(shí)驗(yàn)過程中，除記錄彈簧測力計(jì)的讀數(shù)和O點(diǎn)位置，還必須記錄__兩根細(xì)繩的方向__.在坐標(biāo)紙上畫出了如圖所示的兩分力F1和F2，圖中小正方形邊長表示1 N，則兩力的合力F＝__6__N. (2)為減小實(shí)驗(yàn)誤差，下列措施正確的是__BD__. A．兩條細(xì)繩的夾角必須很大 B．彈簧測力計(jì)、細(xì)繩、橡皮筋都應(yīng)與木板平面平行 C．拉橡皮筋的細(xì)繩要稍長一些，標(biāo)記同一

13、條細(xì)繩的方向時(shí)兩標(biāo)記點(diǎn)要適當(dāng)近一些 D．應(yīng)盡量避免彈簧測力計(jì)與木板間的摩擦 解析　(1)關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作步驟：除記錄彈簧測力計(jì)的讀數(shù)和O點(diǎn)位置，還必須記錄兩根細(xì)繩的方向，作出平行四邊形，然后量取對(duì)角線的長度，即得F＝6 N. (2)實(shí)驗(yàn)中，為減小實(shí)驗(yàn)誤差，兩條細(xì)繩的夾角稍大便于作平行四邊形，但不一定“必須很大”，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；彈簧測力計(jì)、細(xì)繩、橡皮筋都應(yīng)與木板平面平行，故選項(xiàng)B正確；拉橡皮筋的細(xì)繩要稍長一些，標(biāo)記同一條細(xì)繩的方向時(shí)兩標(biāo)記點(diǎn)要適當(dāng)遠(yuǎn)一些，這樣畫出的拉力方向較為準(zhǔn)確，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；應(yīng)盡量避免彈簧測力計(jì)與木板間的摩擦，這樣測出的拉力較準(zhǔn)確，故選項(xiàng)D正確． 3．(2018·吉林長春

14、模擬)某同學(xué)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來驗(yàn)證“力的平行四邊形定則”．彈簧測力計(jì)A掛于固定點(diǎn)P，下端用細(xì)線掛一重物M.彈簧測力計(jì)B的一端用細(xì)線系于O點(diǎn)，手持另一端向左拉，使結(jié)點(diǎn)O靜止在某位置．分別讀出彈簧測力計(jì)A和B的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點(diǎn)的位置和拉線的方向． (1)本實(shí)驗(yàn)用的彈簧測力計(jì)示數(shù)的單位為N，圖中A的示數(shù)為__3.6__N. (2)下列不必要的實(shí)驗(yàn)要求是__D__. A．應(yīng)測量重物M所受的重力 B．彈簧測力計(jì)應(yīng)在使用前校零 C．拉線方向應(yīng)與木板平面平行 D．改變拉力，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次都要使O點(diǎn)靜止在同一位置 (3)某次實(shí)驗(yàn)中，該同學(xué)發(fā)現(xiàn)彈簧測力計(jì)A的指針稍

15、稍超出量程，請(qǐng)您提出兩個(gè)解決辦法：①__改變彈簧測力計(jì)B拉力的大小或方向__；②__減小重物M的質(zhì)量(或?qū)更換成較大量程的彈簧測力計(jì))__. 解析　(1)彈簧測力計(jì)的最小刻度為0.2 N，所以A的讀數(shù)為3.6 N. (2)根據(jù)三力平衡的特點(diǎn)可知，彈簧測力計(jì)A、B的拉力的合力與重物M的重力等值反向，故A項(xiàng)是必要的；彈簧測力計(jì)的零點(diǎn)誤差影響各拉力的測量值，所以使用前需校零，B項(xiàng)是必要的；只有拉線方向與木板平面平行，才能保證所研究的各力在同一平面內(nèi)，C項(xiàng)也是必要的；實(shí)驗(yàn)中只需測出兩拉力的大小和方向以及重物的重力即可驗(yàn)證平行四邊形定則，而當(dāng)測力計(jì)A的拉力不同時(shí)，O點(diǎn)的位置就不同，故沒必要使O點(diǎn)靜

16、止在同一位置，答案為選項(xiàng)D． (3)彈簧測力計(jì)A的指針稍稍超出量程，說明拉彈簧測力計(jì)A的力大了，可行的解決方法有： ①改變彈簧測力計(jì)B拉力的大小或方向； ②減小重物M的質(zhì)量(或?qū)更換成較大量程的彈簧測力計(jì))． 4．某同學(xué)通過下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證力的平行四邊形定則．實(shí)驗(yàn)步驟： ①將彈簧秤固定在貼有白紙的豎直木板上，使其軸線沿豎直方向． ②如圖甲所示，將環(huán)形橡皮筋一端掛在彈簧秤的秤鉤上，另一端用圓珠筆尖豎直向下拉，直到彈簧秤示數(shù)為某一設(shè)定值時(shí)，將橡皮筋兩端的位置標(biāo)記為O1、O2，記錄彈簧秤的示數(shù)F，測量并記錄O1、O2間的距離(即橡皮筋的長度l)．每次將彈簧秤示數(shù)改變0.50N，測出所對(duì)應(yīng)的

17、l，部分?jǐn)?shù)據(jù)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＝2.50N時(shí)橡皮筋兩端的位置，重新標(biāo)記為O、O′，橡皮筋的拉力記為FOO′. ④在秤鉤上涂抹少許潤滑油，將橡皮筋搭在秤鉤上，如圖乙所示．用兩圓珠筆尖成適當(dāng)角度同時(shí)拉橡皮筋的兩端，使秤鉤的下端達(dá)到O點(diǎn)，將兩筆尖的位置標(biāo)記為A、B，橡皮筋OA段的拉力記為FOA，OB段的拉力記為FOB． 完成下列作圖和填空： (1)利用表中數(shù)據(jù)在圖丙中畫出F－l圖線，根據(jù)圖線求得l0＝__10.0(9

18、.8、9.9、10.1均正確)__cm. (2)測得OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，則FOA的大小為__1.80(1.70～1.90均正確)__N. (3)在圖丁中根據(jù)給出的標(biāo)度，作出FOA和FOB的合力F′的圖示． (4)通過比較F′與__FOO′__的大小和方向，即可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論． 解析　(1)由胡克定律知，橡皮筋的彈力與橡皮筋長度間的關(guān)系為F＝k(l－l0)．當(dāng)F＝0時(shí)，l＝l0，所以圖線與橫軸的交點(diǎn)坐標(biāo)表示橡皮筋的原長；(2)可知橡皮筋的長度l＝OA＋OB＝13.60 cm，由圖線可讀得彈力FOA＝1.80 N；(4)F′為理論值，F(xiàn)OO′為實(shí)際值． 答案　(1)如圖甲所示　(3)如圖乙所示 　 9