2019年高考物理一輪復習 第2章 相互作用 實驗3 驗證力的平行四邊形定則學案 新人教版

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1、 實驗三　驗證力的平行四邊形定則 (對應學生用書第34頁) 一、實驗目的 1．會使用彈簧測力計． 2．驗證互成角度的兩個力合成時是否符合平行四邊形定則． 二、實驗原理 1．等效法：一個力F′的作用效果和兩個力F1、F2的作用效果都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長到同一點，所以力F′就是這兩個力F1和F2的合力，作出力F′的圖示，如圖實-3-1所示． 圖實-3-1 2．平行四邊形法：根據(jù)平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示． 3．驗證：比較F和F′的大小和方向是否相同，若在誤差允許的范圍內(nèi)相同，則驗證了力的平行四邊形定則． 三、實驗器材 方木板，白紙，彈簧測

2、力計(兩只)，橡皮條，細繩套(兩個)，三角板，刻度尺，圖釘(多個)． 四、實驗步驟 1．用圖釘把白紙釘在方木板上． 2．用圖釘把橡皮條的一端固定在A點，如圖實-3-2所示，橡皮條的另一端拴上兩個繩套． 圖實-3-2 3．用兩只彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長到某一位置O.用鉛筆描下O點的位置和兩條細繩套的方向，并記錄彈簧測力計的讀數(shù)．注意在使用彈簧測力計的時候，要使它的彈簧與木板平面平行． 4．只用一只彈簧測力計，通過細繩把橡皮條的結點拉到同一位置O.讀出彈簧測力計的示數(shù)，記下細繩的方向，按同一標度作出這個力F′的圖示． 5．改變兩個分力的大小和夾角

3、，再做兩次實驗. 五、數(shù)據(jù)處理 1．用鉛筆和刻度尺從力的作用點(位置O)沿著兩繩套的方向畫直線，按選定的標度作這兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，利用刻度尺和三角板以F1和F2為鄰邊作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，即為合力F的圖示． 2．用刻度尺從O點按同樣的標度沿記錄的方向作出實驗步驟4中彈簧測力計的拉力F′的圖示． 3．比較F與F′是否完全重合或幾乎完全重合，從而驗證平行四邊形定則． 六、誤差分析 1．系統(tǒng)誤差：彈簧測力計本身不夠準確造成的誤差，為此要 選擇比較準確的彈簧測力計． 2．偶然誤差：彈簧測力計讀數(shù)和作圖造成偶然誤差，需要多做幾次實驗，并且使兩分力

4、F1、F2的夾角適當大些． 七、注意事項 1．使用彈簧測力計前，要先觀察指針是否指在零刻度處，若指針不在零刻度處，要調(diào)整指針使其指在零刻度處．再將兩只彈簧測力計的掛鉤鉤在一起，向相反方向拉，如果兩個示數(shù)相同方可使用. 2．實驗中的兩個細繩套不要太短． 3．在同一次實驗中，使橡皮條拉長時結點的位置一定要相同． 4．用兩只彈簧測力計鉤住繩套互成角度地拉橡皮條時，夾角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之間為宜． 5．在用力拉彈簧測力計時，拉力應沿彈簧測力計的軸線方向．彈簧測力計中彈簧軸線、橡皮條、細繩套應該位于與紙面平行的同一平面內(nèi)．要防止彈簧測力計卡殼，防止彈簧測力計或橡皮條

5、與紙面有摩擦． 6．在同一實驗中，畫力的圖示選定的標度要相同，并且要恰當選定標度，使力的圖示稍大一些． (對應學生用書第35頁) 考點一| 實驗原理與操作 　(2018·長沙模擬)某同學做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖實-3-3甲所示，其中A為固定橡皮條的圖釘，O為橡皮條與細繩的結點，OB和OC為細繩．圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結果畫出的圖． 甲 乙 圖實-3-3 (1)如果沒有操作失誤，圖乙中的F與F′兩力中，方向一定沿AO方向的是________． (2)本實驗采用的科學方法是________． A．理

6、想實驗法 B．等效替代法 C．控制變量法 D．建立物理模型 (3)實驗時，主要的步驟是： A．在桌上放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上； B．用圖釘把橡皮條的一端固定在板上的A點，在橡皮條的另一端拴上兩條細繩，細繩的另一端系著繩套； C．用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結點到達某一位置O.記錄下O點的位置，讀出兩個彈簧測力計的示數(shù)； D．按選好的標度，用鉛筆和刻度尺作出兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并用平行四邊形定則求出合力F； E．只用一只彈簧測力計，通過細繩套拉橡皮條使其伸長，讀出彈簧測力計的示數(shù)，記下

7、細繩的方向，按同一標度作出這個力F′的圖示； F．比較F′和F的大小和方向，看它們是否相同，得出結論． 上述步驟中：①有重要遺漏的步驟的序號是________和________； ②遺漏的內(nèi)容分別是________________和________________. 【導學號：84370092】 [答案](1)F′　(2)B　(3)①C　E　②C中應加上“記下兩條細繩的方向”　E中應說明“把橡皮條的結點拉到同一位置O” 小張和小王在做“驗證力的平行四邊形定則”實驗中，實驗步驟如下： ①用圖釘把白紙釘在方木板上． ②把方木板平放在桌面上，用圖釘把橡皮條的一端固定在O點，

8、橡皮條的另一端拴上兩個細繩套． ③小張同學用兩只彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結點到達某一位置時，小王同學用鉛筆描下結點的位置，標上字母A，如圖所示． ④接著小王在兩條細繩的方向上離A點比較近的地方點下了另兩個點B、C，并記錄彈簧測力計的讀數(shù)F1、F2. ⑤移開兩彈簧測力計，從位置A畫直線AB、AC，按選定的標度作出兩只彈簧測力計的拉力F1、F2的圖示，并用平行四邊形定則作出合力F的圖示． ⑥只用一只彈簧測力計通過繩套把橡皮條的結點再次拉到同樣位置A，記下彈簧測力計的讀數(shù)和細繩的方向．用刻度尺從A點按同樣標度沿記錄的方向作出這只彈簧測力計的拉力F′的圖示．

9、 ⑦比較力F′的圖示與合力F的圖示，看兩者是否等長，同向． ⑧小張改變兩個力F1和F2的大小和夾角，再次重復實驗時，發(fā)現(xiàn)讓結點回到A點不太容易，小王就在結點移過A點時用手指將其按在A點，接著記錄下兩彈簧測力計的方向和示數(shù)大?。? ⑨接著重復步驟⑤～⑦，最后得出結論： 在誤差允許的范圍內(nèi)，力的合成符合平行四邊形定則． (1)以上實驗步驟中不恰當?shù)氖莀_______，有錯誤的是________． (2)如圖所示是兩組同學作出的圖示，其中符合實驗情況的是________． 甲 乙 [解析](1)實驗步驟中不恰當?shù)氖洽埽瑧撛诩毨K套的方向上離A點盡可能遠的地方點下另兩

10、個點B、C，并記錄兩個彈簧測力計的讀數(shù)．有錯誤的是⑧，改變兩個力的大小和夾角，再次重復實驗時，發(fā)現(xiàn)讓結點回到A點不太容易，可以另外選擇結點位置進行實驗，不能在結點移過A點時用手指將其按壓在A點．(2)用一只彈簧測力計拉橡皮條時，其拉力方向與OA在一條直線上，而利用平行四邊形定則畫出的兩個力的合力F的方向可能與OA的方向有偏差．符合實驗情況的是甲． [答案](1)④?、唷?2)甲 考點二| 數(shù)據(jù)處理與誤差分析 　(2017·全國Ⅲ卷)某探究小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗，將畫有坐標軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1 mm)的紙貼在桌面上，如圖實-3-4所示．將橡皮筋的一端Q固

11、定在y軸上的B點(位于圖示部分之外)，另一端P位于y軸上的A點時，橡皮筋處于原長． (1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標原點O.此時拉力F的大小可由測力計讀出．測力計的示數(shù)如圖(b)所示，F(xiàn)的大小為________N. (2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點，現(xiàn)使用兩個測力計同時拉橡皮筋，再次將P端拉至O點．此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向，由測力計的示數(shù)讀出兩個拉力的大小分別為F1＝4.2 N和F2＝5.6 N. (ⅰ)用5 mm長度的線段表示1 N的力，以O點為作用點，在圖(a)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

12、； 圖實-3-4 (ⅱ)F合的大小為________N，F(xiàn)合與拉力F的夾角的正切值為________． 若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內(nèi)，則該實驗驗證了力的平行四邊形定則. 【導學號：84370093】 [解析](1)由題給測力計示數(shù)可知，讀數(shù)為4.0 N. (2)作圖，F(xiàn)2長度為28 mm，F(xiàn)1長度為21 mm，平行四邊形如圖，量出合力長度約為20 mm，大小代表4.0 N，量出合力箭頭處到y(tǒng)軸距離和所作合力在y軸上投影長度，其比值就是F合與拉力F的夾角的正切值． [答案]　見解析 將橡皮筋的一端固定在A點，另一端拴上兩根細繩，每根細

13、繩分別連著一個量程為5 N、最小刻度為0.1 N的彈簧測力計．沿著兩個不同的方向拉彈簧測力計，當橡皮筋的活動端拉到O點時，兩根細繩相互垂直，如圖S3-12甲所示．這時彈簧測力計的讀數(shù)可從圖中讀出． 甲 乙 (1)由圖可讀得兩個相互垂直的拉力的大小分別為________ N和 ________ N. (2)在如圖乙所示的方格紙上按作圖法的要求畫出這兩個力及它們的合力． [答案](1)2.50(4.00)　4.00(2.50)　(2)如圖所示 考點三| 實驗拓展與創(chuàng)新 視角1：器材的變化(如圖甲、乙、丙、丁所示) 甲

14、 乙 丙 丁 視角2：合力、分力的獲得 (1)分力的獲得：彈簧測力計的拉力→鉤碼的重力→傳感器的讀數(shù)． (2)合力的獲得：彈簧測力計的拉力→重物的重力→鉤碼的重力． 創(chuàng)新點1　用鉤碼替代彈簧測力計 1．有同學利用如圖實-3-5所示的裝置來驗證力的平行四邊形定則：在豎直木板上鋪有白紙，固定兩個光滑的滑輪A和B，將繩子打一個結點O，每個鉤碼的重量相等，當系統(tǒng)達到平衡時，根據(jù)鉤碼個數(shù)讀出三根繩子的拉力F1、F2和F3，回答下列問題： 圖實-3-5 (1)(多選)改變鉤碼

15、個數(shù)，實驗能完成的是( ) A．鉤碼的個數(shù)N1＝N2＝2，N3＝4 B．鉤碼的個數(shù)N1＝N3＝3，N2＝4 C．鉤碼的個數(shù)N1＝N2＝N3＝4 D．鉤碼的個數(shù)N1＝3，N2＝4，N3＝5 (2)在拆下鉤碼和繩子前，最重要的一個步驟是( ) A．標記結點O的位置，并記錄OA、OB、OC三段繩子的方向 B．量出OA、OB、OC三段繩子的長度 C．用量角器量出三段繩子之間的夾角 D．用天平測出鉤碼的質(zhì)量 (3)在作圖時，你認為圖實-3-6中________是正確的．(選填“甲”或“乙”) 圖實-3-6 [解析](1)此實驗中的分力與合力的大小關系必須滿足：|F

16、1－F2|＜F3＜F1＋F2，因此B、C、D選項是可以的． (2)A (3)甲　實驗中F3是豎直向下的． [答案](1)BCD　(2)A　(3)甲 創(chuàng)新點2　用橡皮筋替代彈簧測力計 2．(2018·合肥質(zhì)檢)某同學嘗試用橡皮筋等器材驗證力的平行四邊形定則．他找到兩條相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、鉛筆、細繩、白紙、釘子，設計了如下實驗．將兩條橡皮筋的一端與細繩連接，結點為O，細繩下掛一重物，兩橡皮筋的另一端也都連有細繩．實驗時，先將一條橡皮筋的一端的細繩固定在墻上的釘子A上，另一條橡皮筋任其下垂，如圖實-3-7中甲所示，將另一條橡皮筋的另一端的細繩也固定

17、在墻上的釘子B上，如圖實-3-7中乙所示． 圖實-3-7 (1)為完成實驗，下述操作中必需的是________． a．兩橡皮筋的另一端連接的細繩a、b長度要相同 b．要測量橡皮筋的原長 c．要測量甲和乙中橡皮筋的長度 d．要記錄甲中結點O的位置及過結點O的豎直方向 e．要記錄乙中結點O′的位置及過結點O′的豎直方向 (2)對該實驗“兩條相同的橡皮筋”的要求的理解正確的為________． a．橡皮筋的材料和原長相同即可 b．橡皮筋的材料和粗細相同即可 c．橡皮筋的材料、原長和粗細均要相同 [解析]　本實驗的目的是驗證力的平行四邊形定則，研究合力與分力的關系，而合力與

18、分力是等效的，本實驗采用作合力與分力圖示的方法來驗證，根據(jù)實驗原理需要知道橡皮筋的伸長量才能表示橡皮筋的彈力，故應該測量橡皮筋的原長．兩條相同的橡皮筋是指橡皮筋的材料、原長和粗細均要相同． [答案](1)bce　(2)c 創(chuàng)新點3　傳感器代替彈簧測力計 3. (2018·衡陽模擬)如圖實-3-8所示，某實驗小組的同學利用DIS實驗裝置研究支架上力的分解．A、B為兩個相同的雙向力傳感器，該型號傳感器在受到拉力時讀數(shù)為正，受到壓力時讀數(shù)為負．A連接質(zhì)量不計的細繩，可沿固定的板做圓弧形移動．B固定不動，通過光滑鉸鏈連接長0.3 m的桿．將細繩連接在桿右端O點構成支架．保持桿在水平方向，按如下

19、步驟操作：(g取10 m/s2) 圖實-3-8 ①測量繩子與水平桿的夾角∠AOB＝θ； ②對兩個傳感器進行調(diào)零； ③用另一根繩在O點懸掛一個鉤碼，記錄兩個傳感器的讀數(shù)； ④取下鉤碼，移動傳感器A改變θ角． 重復上述實驗步驟，得到表格． F1 1.001 0.580 … 1.002 … F2 －0.868 －0.291 … 0.865 … θ 30° 60° … 150° … (1)根據(jù)表格，A傳感器對應的是表中力________(選填“F1”或“F2”)．鉤碼質(zhì)量為________kg(保留一位有效數(shù)字)． (2)本實驗中多次對傳感器進行

20、調(diào)零，對此操作說明正確的是________． A．因為事先忘記調(diào)零 B．何時調(diào)零對實驗結果沒有影響 C．為了消除橫桿自身重力對結果的影響 D．可以完全消除實驗的誤差 [解析](1)A傳感器中的力均為正值，故A傳感器對應的是表中力F1，平衡時，mg＝F1sin θ，當θ＝30°時，F(xiàn)1＝1.001 N，可求得m≈0.05 kg. (2)在掛鉤碼之前，對傳感器進行調(diào)零，目的是為了消除橫桿自身重力對結果的影響，故C正確． [答案] (1)F1　0.05　(2)C [隨堂訓練] 1．“驗證力的平行四邊形定則”的實驗如圖實-3-9甲所示，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細繩的結

21、點，OB和OC為細繩．圖乙所示是在白紙上根據(jù)實驗結果畫出的圖． 甲 乙 圖實-3-9 (1)圖乙中的________是力F1和F2的合力的理論值；________是力F1和F2的合力的實際測量值． (2)在實驗中，如果將細繩也換成橡皮筋，那么實驗結果是否會發(fā)生變化？答：________(選填“變”或“不變”). 【導學號：84370094】 [解析](1)圖乙中的F是力F1和F2的合力的理論值，F(xiàn)′為F1和F2的合力的實際測量值． (2)在實驗中，如果將細繩換成橡皮筋，并不影響兩彈簧水平的拉力的大小和方向，因此實驗結果不會發(fā)生變化． [答案]

22、(1)F　F′　(2)不變 2．圖甲是“驗證力的平行四邊形定則”的實驗裝置．實驗操作如下： (1)彈簧測力計A掛于固定點P，下端用細線掛一重物M，測量________，并記錄為F. (2)彈簧測力計B的一端用細線系于O點，手持另一端向左拉，使結點O靜止在某位置(如圖實-3-10甲)，此時需記下結點O的位置和兩測力計的示數(shù)F1、F2以及________． (3)某同學已在圖乙紙上作出F1、F2的圖示，請根據(jù)力的平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′. (4)改變兩細線的夾角，重復做幾次實驗．若F′的方向近似在________方向上，且大小近似等于F，則平行四邊形定則得以驗證． 甲

23、 乙 圖實-3-10 [答案](1)M(重物)的重力 (2)細線Oa、Ob、Oc的方向(或三段細線的方向) (3)如圖所示 (4)細線Oc 3．用圖實-3-11甲所示的裝置做“驗證力的平行四邊形定則”實驗． 甲 乙 丙 圖實-3-11 (1)某同學的實驗操作如下，請完成相關內(nèi)容． ①在桌面上放一方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上． ②用圖釘把橡皮條一端固定在A點，另一端系上兩根細繩，細繩的另一端系有繩套． ③用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮條，橡皮條伸長，使結點到達

24、某一位置O.記下O點的位置，讀出兩個彈簧測力計的示數(shù)，并________． ④按選好的標度，用鉛筆和刻度尺作出兩個彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并用平行四邊形定則求出合力F. ⑤只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結點拉到同樣的位置O，______________，記下細繩的方向，按同一標度作出這個力F′的圖示． (2)某次實驗中彈簧測力計的示數(shù)如圖乙所示，則兩彈簧測力計的拉力的大小分別為________N、________N. (3)某同學完成驗證力的平行四邊形定則實驗操作后得到的數(shù)據(jù)如圖丙，請選好標度在方框中作圖完成該同學未完成的實驗處理． 結論：____________

25、______________________________________________. (4)若兩個彈簧測力計的讀數(shù)分別為3.00 N、4.00 N，且兩彈簧測力計拉力方向的夾角為銳角，則________(選填“能”或“不能”)用一個量程為5 N的彈簧測力計測出它們的合力，理由是_______________________________ 【導學號：84370095】 [解析](1)③用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮條，橡皮條伸長，使結點到達某一位置O，此時需要用鉛筆記下O點的位置和兩條細繩的方向，讀出兩個彈簧測力計的示數(shù)． ⑤只用一個彈簧測力計，通過細繩把橡皮

26、條的結點拉到同樣的位置O，此時需要讀出彈簧測力計的示數(shù)，并記下細繩的方向． (2)兩個彈簧測力計的讀數(shù)分別為2.50 N和4.00 N. (3)如圖所示．根據(jù)所作的圖象可得到的結論是：在誤差允許范圍內(nèi)，合力與分力是等效替代的關系，且互成角度的兩個力合成時遵循平行四邊形定則． (4)不能，因為3.00 N和4.00 N兩個力的合力會大于5 N，超過彈簧測力計的量程． [答案](1)③記下兩條細繩的方向　⑤讀出彈簧測力計的示數(shù) (2)2.50　4.00　(3)如解析圖所示　在誤差允許范圍內(nèi)，合力與分力是等效替代的關系，且互成角度的兩個力合成時遵循平行四邊形定則　(4)不能　超過彈簧測力計的量程 12