2019-2020學年高中物理 第三章 相互作用 實驗：探究求合力的方法學案 新人教版必修1

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1、實驗：探究求合力的方法 [學科素養(yǎng)與目標要求]　 科學探究：1.驗證互成角度的兩個力合成的平行四邊形定則.2.進一步練習使用作圖法求兩個共點力的合力． 一、實驗儀器 方木板、白紙、彈簧測力計(兩只)、橡皮條、細繩套(兩個)、三角板、刻度尺、圖釘(若干)、鉛筆． 二、實驗原理 1．合力F′的確定：一個力F′的作用效果與兩個共點力F1與F2共同作用的效果都是把橡皮條拉伸到某點，則F′為F1和F2的合力． 2．合力理論值F的確定：根據(jù)平行四邊形定則作出F1和F2的合力F的圖示，求出合力的理論值F. 3．平行四邊形定則的驗證：在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，比較F′和F是否大小相等、方向相

2、同． 三、實驗步驟 1．在方木板上用圖釘固定一張白紙，如圖1甲所示，用圖釘把橡皮條的一端固定在木板上A點，在橡皮條的另一端拴上兩個細繩套． 圖1 2．用兩個彈簧測力計分別鉤住兩個細繩套，互成角度地拉橡皮條將結點拉到某位置O，用鉛筆描下結點O的位置和細繩的方向，并記錄兩彈簧測力計的讀數(shù)． 3．用一個彈簧測力計拉橡皮條，將結點拉到同一位置O，記下彈簧測力計的讀數(shù)和細繩的方向． 4．如圖乙所示，按適當?shù)谋壤鞒鲇脙蓚€彈簧測力計拉時的拉力F1和F2的圖示以及用一個彈簧測力計拉時的拉力F′的圖示，利用刻度尺和三角板，以F1、F2為鄰邊畫出平行四邊形，并畫出對角線F. 5．比較F與F′的

3、大小和方向，看它們在實驗誤差允許范圍內(nèi)是否相同，從而驗證平行四邊形定則． 四、注意事項 1．結點 (1)定位O點時要力求準確； (2)同一次實驗中橡皮條拉長后的O點必須保持位置不變． 2．拉力 (1)用彈簧測力計測拉力時要使拉力沿彈簧測力計軸線方向； (2)應使橡皮條、彈簧測力計和細繩套位于與紙面平行的同一平面內(nèi)； (3)兩個分力F1、F2間的夾角θ不要太大或太?。? 3．作圖 (1)在同一次實驗中，選定的比例要相同； (2)嚴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． 五、誤差分析 1．彈簧測力計使用前沒調(diào)零會造成誤差． 2．實驗時，彈簧測力計的彈簧和外

4、殼之間、指針和外殼之間或彈簧測力計的外殼和紙面之間有摩擦力存在會造成誤差． 3．兩次測量拉力時，橡皮條的結點沒有拉到同一點會造成偶然誤差． 4．兩個分力的夾角太小或太大以及F1、F2數(shù)值太小，應用平行四邊形定則作圖時，都會造成偶然誤差. 一、實驗原理及操作 例1　(2019·濟南一中期中)在“探究求合力的方法”的實驗中，需要將橡皮條的一端固定在水平木板上，先用一個彈簧測力計拉橡皮條的另一端到某一點并記下該點的位置O；再將橡皮條的另一端系兩根細繩，細繩的另一端都有繩套，用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套，并互成角度地拉橡皮條． (1)某同學認為在此過程中必須注意以下幾項： A．兩根細繩

5、必須等長 B．橡皮條應與兩繩夾角的平分線在同一直線上 C．在使用彈簧測力計時要注意使彈簧測力計與木板平面平行 D．在用兩個彈簧測力計同時拉細繩時要注意兩個彈簧測力計的讀數(shù)相等 E．在用兩個彈簧測力計同時拉細繩時必須將橡皮條的另一端拉到位置O 其中正確的是________．(填入相應的字母) (2)“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖2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． 圖2 ①圖乙中的F與F′兩力中，方向一定沿AO方向是________． 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．建立物理模型法 答案　(1)CE　(2)①F′　②B 二、實驗數(shù)據(jù)處理 例2　(2017·全國卷Ⅲ)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1mm)的紙貼在水平桌面上，如圖3(a)所示．將橡皮筋的一端Q固定在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)

7、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＝4.2N和F2＝5.6N. (ⅰ)用5mm長度的線段表示1N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； 圖3 (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． 答案　(1)4.0　(2)(ⅰ)見解析圖　(ⅱ)4.0　0.05 解析　(1)由圖(b)

8、可知，F(xiàn)的大小為4.0N. (2)(ⅰ)F1長度為21mm，F(xiàn)2長度為28mm，畫出力F1、F2的圖示，如圖所示． (ⅱ)用刻度尺量出F合的線段長約為20mm，所以F合大小為4.0N，量出合力箭頭處到y(tǒng)軸的距離和所作合力在y軸投影的長度，則F合與拉力F的夾角的正切值為0.05. 三、實驗創(chuàng)新 例3　有同學利用如圖4所示的裝置來探究求合力的方法：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FTOA、FTOB和FTOC，回答下列問題： 圖4 (1)(多選)改變鉤碼個數(shù)，實驗能完成的是(　

9、　) 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三段繩子的方向和鉤碼個數(shù) 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5中________(選填“甲”或“乙”)是正確的． 圖5 答案　(1)BCD　(2)A　(3)甲 解析　(1)對O點受力分析如圖所示，OA、OB、OC分

10、別表示FTOA、FTOB、FTOC的大小，由于結點在三個共點力的作用下處于平衡狀態(tài)，所以FTOA、FTOB的合力大小等于FTOC，且|FTOA－FTOB|

11、合實際． 1．在做“探究求合力的方法”的實驗中，以下說法中正確的是(　　) A．用兩只彈簧測力計拉橡皮條時，兩細繩之間的夾角必須為90°，以便求出合力的大小 B．用兩只彈簧測力計拉橡皮條時，結點的位置必須與用一只彈簧測力計拉時結點的位置重合 C．若用兩只彈簧測力計拉時合力F的圖示與用一只彈簧測力計拉時拉力F′的圖示不完全重合，說明力的合成的平行四邊形定則不一定是普遍成立的 D．同一實驗過程中，結點O的位置允許變動 答案　B 解析　兩只彈簧測力計拉橡皮條時，細繩之間的夾角是任意的，不需要計算，可以用彈簧測力計和量角器測量力的大小和方向，A錯誤；前后兩次結點的位置相同，力的作用效

12、果才相同，B正確，D錯誤；由于測量和作圖存在誤差，F(xiàn)′和F不一定完全重合，實驗可以證明，在誤差允許的范圍內(nèi)，平行四邊形定則總是成立的，C錯誤． 2.(2019·華中師大一附中期中)在“探究共點力合成的規(guī)律”的實驗中，某同學的實驗情況如圖6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與OC為細繩，OB繩的拉力為F1，OC繩的拉力為F2，則下列說法中正確的是(　　) 圖6 A．若每次都把結點O拉至同一位置，且保持F1的方向不變，增大F1，則F2一定減小 B．若每次都把結點O拉至同一位置，且保持F1的方向不變，增大F1，則F2一定增大 C．在實驗中，應使拉力沿彈簧的軸線

13、方向，橡皮條、彈簧測力計和細繩套應位于與紙面平行的同一平面內(nèi) D．實驗中需要使用量角器測量兩個分力之間的夾角 答案　C 解析　根據(jù)平行四邊形定則可知，若開始時F2與F1夾角為銳角，則每次都把結點O拉至同一位置，且保持F1的方向不變，增大F1，則F2先減小后增大，選項A、B錯誤；在實驗中，應使拉力沿彈簧的軸線方向，橡皮條、彈簧測力計和細繩套應位于與紙面平行的同一平面內(nèi)，選項C正確；實驗中不需要使用量角器測量兩個分力之間的夾角，選項D錯誤． 3．(2019·泰安一中期中)在“探究求合力的方法”的實驗中，某同學的實驗情況如圖7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點，OB和O

14、C為細繩．圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結果畫出的圖． 圖7 (1)圖甲中與B相連的彈簧測力計的示數(shù)為________N. (2)圖乙中一定沿著AO方向的力是________(選填“F”或“F′”)． (3)關于本實驗，下列說法正確的是________． A．兩細繩必須等長 B．彈簧測力計、細繩、橡皮筋都應與木板平行 C．兩次拉伸橡皮筋，只要使橡皮筋伸長到相同長度即可 D．拉橡皮筋的細繩要長些，標記同一細繩方向的兩點要適當遠些 答案　(1)3.70　(2)F′　(3)BD 解析　(1)由題圖甲知1N之間有10小格，一個小格代表0.1N，所以彈簧測力計的示數(shù)為3.70N； (2

15、)F是通過作圖的方法得到的合力的理論值，而F′是通過一個彈簧測力計沿AO方向拉橡皮筋，使橡皮筋伸長到同一點，即使得一個彈簧測力計的拉力與兩個彈簧測力計的拉力效果相同時，測量出的合力，故方向一定沿AO方向的是F′，由于誤差的存在，F(xiàn)和F′方向并不重合； (3)通過兩細繩用兩個彈簧測力計互成角度地拉橡皮筋時，并不要求兩細繩必須等長，故A錯誤； 測量力的實驗要求盡量準確，為了減小實驗中因摩擦造成的誤差，操作中要求彈簧測力計、細繩、橡皮筋都應與木板平行，故B正確； 本實驗采用“等效法”，為了使兩次拉伸橡皮筋的效果相同，要求兩次拉橡皮筋時必須將其結點拉至同一個位置，即沿同一個方向拉伸相同的長度，故

16、C錯誤； 彈簧測力計標記同一細繩方向的兩點適當遠些，作圖時產(chǎn)生的角度誤差會減小，故D正確． 4．某研究小組做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗，所用器材有：方木板一塊、白紙、量程為0～5N的彈簧測力計兩個、橡皮條(帶兩個較長的細繩套)、刻度尺、圖釘(若干個)． (1)具體操作前，同學們提出了如下關于實驗操作的建議，其中正確的是________． A．橡皮條應和兩繩套夾角平分線在一條直線上 B．重復實驗再次進行驗證時，結點O的位置可以與前一次不同 C．使用彈簧測力計時，施力方向應沿彈簧測力計軸線；讀數(shù)時視線正對彈簧測力計刻度 D.用兩個彈簧測力計互成角度拉橡皮條時的拉力必須都小于只用

17、一個彈簧測力計時的拉力 (2)該小組的同學用同一套器材做了四次實驗，白紙上留下的標注信息有結點位置O、力的標度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點，如下圖所示．其中對于提高實驗精度最有利的是________． 答案　(1)BC　(2)B 5．某同學用如圖8所示的實驗裝置來探究求合力的方法．彈簧測力計A掛于固定點P，下端用細線掛一重物M.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．分別讀出彈簧測力計A和B的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點的位置和細線方向． 圖8 (1)圖中A的示數(shù)為________N. (2)下列不必要的實驗要求是_

18、_______． A．測量重物M所受的重力 B．彈簧測力計應在使用前校零 C．拉線方向應與木板平面平行 D．改變拉力，進行多次實驗，每次都要使O點靜止在同一位置 (3)某次實驗中，該同學發(fā)現(xiàn)彈簧測力計A的指針稍稍超出量程，請您提出兩個解決辦法． 答案　(1)3.6　(2)D　(3)①改變彈簧測力計B拉力的方向和大??；②減小重物M的質(zhì)量；③將A更換成量程較大的彈簧測力計(任選其二)． 解析　(1)由題圖可知彈簧測力計分度值為0.2N，故其示數(shù)為3.6N； (2)因為只要O點受力平衡，三個力的合力為零即可，沒有必要每次實驗都要使O點靜止在同一位置，故選D； (3)減小重物M的質(zhì)量，以及將A更換成量程較大的彈簧測力計或改變彈簧測力計B拉力的方向和大小，都可使彈簧測力計A的讀數(shù)減?。? 8