2018-2019高中物理 第4章 怎樣求合力與分力 實驗：探究合力與分力的關系學案 滬科版必修1.doc

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實驗：探究合力與分力的關系 [目標定位]　1.探究互成角度的兩個力合成的平行四邊形定則.2.練習用作圖法求兩個力的合力． 一、實驗原理 一個力F的作用效果與兩個共點力F1和F2的共同作用效果都是把橡筋條結點拉伸到某點，則F為F1和F2的合力，作出F的圖示，再根據力的平行四邊形定則作出F1和F2的合力F′的圖示，比較F′與F在實驗誤差允許范圍內是否大小相等、方向相同，即得到互成角度的兩個力合成遵從平行四邊形定則． 二、實驗器材 方木板、白紙、圖釘若干、細芯鉛筆、橡皮筋一段、細繩套兩個、彈簧測力計兩個、三角板、刻度尺． 三、實驗過程 1．儀器的安裝 (1)釘白紙：用圖釘把一張白紙釘在方木板上，將方木板放在水平桌面上． (2)拴繩套：用圖釘把橡皮筋的一端固定在木板上的A點，在橡皮筋的另一端拴上兩條細繩套． 2．操作與記錄 (1)兩力拉：用兩個彈簧測力計分別鉤住兩個細繩套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸長，結點到達某一位置O(如圖1所示)．用鉛筆描下結點O的位置和兩條細繩套的方向，并記錄彈簧測力計的讀數(shù)． 圖1 (2)一力拉：只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮筋的結點拉到與前面相同的位置O，記下彈簧測力計的讀數(shù)和細繩套的方向． 3．作圖對比 (1)理論值：在白紙上按比例從O點開始作出兩個彈簧測力計同時拉橡皮筋時拉力F1和F2的圖示，利用刻度尺和三角板根據平行四邊形定則求出合力F. (2)測量值：按同樣的比例用刻度尺從O點起作出一個彈簧測力計拉橡皮筋時拉力F′的圖示，如圖2所示． 圖2 (3)相比較：比較F′與用平行四邊形定則求得的合力F在實驗誤差允許的范圍內是否重合． 4．重復 改變兩個分力F1和F2的大小和夾角，再重復實驗兩次，比較每次的F與F′在實驗誤差允許的范圍內是否相等． 四、誤差分析 1．彈簧測力計使用前沒調零會造成誤差． 2．使用中，彈簧測力計的彈簧和外殼之間、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，橡皮筋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，F(xiàn)1、F2數(shù)值太小，應用平行四邊形定則作圖時，會造成偶然誤差． 五、注意事項 1．結點 (1)定位O點時要力求準確； (2)同一次實驗中橡皮筋拉長后的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)應使橡皮筋、彈簧測力計和細繩套位于與紙面平行的同一平面內； (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． 例1　李明同學在做“探究合力與分力的關系”實驗時，利用坐標紙記下了橡皮筋的結點位置O以及兩只彈簧測力計拉力的大小，如圖3(a)所示． 　　 圖3 (1)試在圖(a)中作出無實驗誤差情況下F1和F2的合力圖示，并用F表示此力． (2)(多選)有關此實驗，下列敘述正確的是(　　) A．兩彈簧測力計的拉力可以同時比橡皮筋的拉力大 B．橡皮筋的拉力是合力，兩彈簧測力計的拉力是分力 C．兩次拉橡皮筋時，需將橡皮筋結點拉到同一位置O，這樣做的目的是保證兩次彈簧測力計拉力的效果相同 D．若只增大某一只彈簧測力計的拉力大小而保持橡皮筋結點位置不變，只需調整另一只彈簧測力計拉力的大小即可 (3)如圖(b)所示是李明和張華兩位同學在做以上實驗時得到的結果，其中哪一個實驗比較符合實驗事實？(力F′是用一只彈簧測力計拉時的圖示) ________________________________________________________________________. (4)在以上比較符合實驗事實的一位同學的實驗中，造成誤差的主要原因是：(至少寫出兩種情況) ______________________________________________________________________. 答案　(1)如圖所示 (2)AC　(3)張華的實驗比較符合實驗事實 (4)①F1的方向比真實方向偏左； ②F2的大小比真實值偏小且方向比真實方向偏左； ③作圖時兩虛線不分別與F1線和F2線平行 例2　在“探究合力與分力的關系”的實驗中某同學的實驗情況如圖4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OC為細繩． 圖4 (1)本實驗采用的科學方法是(　　) A．理想實驗法 B．等效替代法 C．控制變量法 D．建立物理模型法 (2)(多選)本實驗中，采取下列哪些方法和步驟可以減小實驗誤差(　　) A．兩個分力F1、F2間的夾角越大越好 B．拉橡皮筋的細繩要稍長一些 C．實驗中，彈簧測力計必須與木板平行 D．讀數(shù)時視線要正對彈簧測力計刻度 解析　(1)本實驗是采用等效替代的原理，當兩個力作用使橡皮筋結點O伸長到某一點，另一個力作用也使橡皮筋結點O伸長到同一點時，這個力就是前兩個力的合力，選B. (2)本實驗中兩彈簧測力計所拉繩間的夾角一般在60到120之間較合適，A錯誤；為了減小誤差，便于確定兩拉力的方向，拉橡皮筋的細繩要稍長一些，且必須使橡皮筋、細繩、彈簧測力計都與木板平行，細繩要與彈簧測力計軸線在同一直線上，讀數(shù)時視線要正對彈簧測力計刻度，B、C、D均正確． 答案　(1)B　(2)BCD 1．(多選)在做完“探究合力與分力的關系”實驗后，某同學將其實驗操作過程進行了回顧，并在筆記本上記下如下幾條體會，你認為他的體會中正確的是(　　) A．用兩只彈簧測力計拉橡皮筋時，應使兩細繩套間的夾角為90，以便算出合力的大小 B．用兩只彈簧測力計拉橡皮筋時合力的圖示F與用一只彈簧測力計拉橡皮筋時力的圖示F′不完全重合，在誤差允許范圍內，可以說明“力的平行四邊形定則”成立 C．若F1、F2方向不變，而大小各增加1 N，則合力的方向也不變，大小也增加1 N D．在用彈簧測力計拉橡皮筋時，應使彈簧測力計的彈簧與木板平面平行 答案　BD 解析　用兩只彈簧測力計拉橡皮筋時，兩細繩套的夾角約在60～120范圍，實驗中不需要計算出合力的大小，沒必要非得把細繩套間夾角設定為90，A錯．實驗中F與F′的圖示不一定完全重合，只要兩者長度差不多，夾角很小，就可以近似認為驗證了“力的平行四邊形定則”，B對．F1、F2夾角不確定，它們的大小與合力F的大小關系不確定，不能通過F1、F2大小的變化確定F大小的變化，C錯．實驗時必須使彈簧測力計的彈簧與木板平面平行，D對． 2．某同學用如圖5所示的實驗裝置來探究合力與分力的關系．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點的位置和拉線方向． 圖5 (1)本實驗用的彈簧測力計示數(shù)的單位為N，圖中A的示數(shù)為________N. (2)下列不必要的實驗要求是________．(請?zhí)顚戇x項前對應的字母) A．應測量重物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拉力的大?。? ②減小重物M的質量(或將A更換成較大量程的彈簧測力計、改變彈簧測力計B拉力的方向等) 解析　(1)由彈簧測力計可讀出數(shù)據為3.6 N； (2)因為只要O點受力平衡，三個力的合力為零即可，沒有必要每次都要使O點靜止在同一位置，故選D； (3)減小重物M的質量，可使彈簧測力計的讀數(shù)減小，將A更換成較大量程的彈簧測力計以及改變彈簧測力計B拉力的方向也可． 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的圖示F與用一只彈簧測力計拉時拉力的圖示F′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　理論上，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的方向不一定重合，實驗可以證明，在誤差允許的范圍內，平行四邊形定則總是成立的，C錯誤． 2．(多選)在“探究合力與分力的關系”的實驗中，某同學的實驗情況如圖1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OC為細繩．圖乙是在白紙上根據實驗結果畫出的力的圖示，下列說法中正確的是(　　) 　　 圖1 A．圖乙中的F是力F1和F2合力的理論值，F(xiàn)′是力F1和F2合力的實際測量值 B．圖乙的F′是力F1和F2合力的理論值，F(xiàn)是力F1和F2合力的實際測量值 C．在實驗中，如果將細繩也換成橡皮筋，那么對實驗結果沒有影響 D．在實驗中，如果將細繩也換成橡皮筋，那么對實驗結果有影響 答案　BC 解析　F1與F2合成的理論值是通過平行四邊形定則算出的值，而實際測量值是單獨一個力把橡皮筋拉到O點時的值，因此F′是F1與F2合成的理論值，F(xiàn)是F1與F2合成的實際測量值，故A錯誤，B正確．由于作用效果相同，將兩個細繩換成兩根橡皮筋，不會影響實驗結果，故C正確，D錯誤． 3．某同學做“探究合力與分力的關系”實驗時，主要步驟有 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．用圖釘把橡皮筋的一端固定在板上的A點，在橡皮筋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，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸長，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．只用一只彈簧測力計，通過細繩套拉橡皮筋使其伸長，讀出彈簧測力計的示數(shù)，記下細繩的方向； E．按選好的標度，用鉛筆和刻度尺作出用兩只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，并以F1、F2為鄰邊用平行四邊形定則求出合力F； 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)遺漏的內容分別是____________________________和__________________________． 答案　(1)C　D (2)C中應加上“記下兩條細繩的方向” D中應說明“把橡皮筋的結點拉到同一位置O” 解析　(1)根據“探究求合力的方法”實驗的操作規(guī)程可知，有重要遺漏的步驟的序號是C、D. (2)在C中未記下兩條細繩的方向，D中未說明是否把橡皮筋的結點拉到同一位置O. 4．圖2甲為“探究合力與分力的關系”的實驗裝置． 圖2 (1)(多選)下列說法中正確的是(　　) A．在測量同一組數(shù)據F1、F2和合力F的過程中，拉橡皮筋結點到達的位置不能變化 B．用彈簧測力計拉細繩時，拉力方向必須豎直向下 C．F1、F2和合力F的大小都不能超過彈簧測力計的量程 D．為減小測量誤差，F(xiàn)1、F2方向間夾角應為90 (2)某次操作時，一只彈簧測力計的指針如圖乙所示，由圖可知拉力的大小為________N. 答案　(1)AC　(2)4.0 5．在“探究合力與分力的關系”實驗中， 部分實驗步驟如下，請完成有關內容： A．將一根橡皮筋的一端固定在貼有白紙的豎直平整木板上，另一端綁上兩根細線． B．在其中一根細線末端掛上5個質量相等的鉤碼，使橡皮筋拉伸，如圖3甲所示，記錄：________、________、________. C．將步驟B中的鉤碼取下，分別在兩根細線末端掛上4個和3個質量相等的鉤碼，用兩光滑硬棒B、C使兩細線互成角度，如圖乙所示，小心調整B、C的位置，使________，記錄______________________． 圖3 答案　步驟B：鉤碼個數(shù)(或細線拉力)　橡皮筋與細線結點的位置O　細線的方向(說明：能反映細線方向的其他記錄也可以) 步驟C：橡皮筋與細線結點的位置與步驟B中結點的位置O重合　鉤碼個數(shù)和對應的細線方向 6．某同學用如圖4甲所示的裝置做“探究合力與分力的關系”實驗．將一木板豎直平行放在鐵架臺和輕彈簧所在平面后面．其部分實驗操作如下，請完成下列相關內容： 圖4 (1)如圖甲，在木板上記下懸掛兩個鉤碼時彈簧末端的位置O； (2)如圖乙所示，卸下鉤碼，然后將兩細繩套系在彈簧下端，用兩彈簧測力計將輕彈簧末端拉到同一位置O，記錄細繩套AO、BO的________及兩彈簧測力計相應的讀數(shù)．其中B彈簧測力計的讀數(shù)為________ N； (3)該同學在坐標紙上畫出兩彈簧拉力FA、FB的大小和方向如圖丙所示，請在圖丙中作出FA、FB的合力F′； (4)已知鉤碼的重力，可得彈簧所受的拉力F如圖丙所示，觀察比較F和F′，得出結論． 答案　(2)方向　11.40　(3)如圖所示 7．小明通過實驗探究求合力的方法： (1)實驗所用的一只彈簧測力計如圖5甲所示，在用它測力前應對它進行的操作是____________． 圖5 (2)在測出F1、F2和對應的合力F后，他在紙上畫出了F1、F2的圖示，如圖乙所示．請你幫助他在圖中畫出合力F的圖示．(測得F＝4.9 N，圖中a、b為記錄F方向的兩點) (3)小明用虛線把F的箭頭末端分別與F1、F2的箭頭末端連接起來；觀察圖形后，他覺得所畫的圖形很像平行四邊形．至此，為正確得出求合力的一般方法，你認為小明接下來應該做些什么？(寫出兩點即可) ①________________________________________________________________________. ②________________________________________________________________________. 答案　(1)調零　(2)見解析圖　(3)①驗證該圖形基本就是平行四邊形；②得出求合力的一般方法；③改變F1、F2的大小和方向，重復上述實驗，驗證猜想；④與同學交流，得出合理結論(任選其二) 解析　(1)該實驗所用彈簧測力計開始時指針不在零位置，故在用它測力前應對它進行的操作是調零． (2)根據力的三要素作出合力F的圖示如圖所示： (3)根據所畫的圖形很像平行四邊形這一事實，小明接下來應該做以下事情：①驗證該圖形基本就是平行四邊形；②得出求合力的一般方法；③改變F1、F2的大小和方向，重復上述實驗，驗證猜想；④與同學交流，得出合理結論．