2019年度高考物理一輪復習 第二章 相互作用 實驗三 驗證力的平行四邊形定則學案.doc

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實驗三　驗證力的平行四邊形定則 1.實驗原理 互成角度的兩個力F1、F2與另外一個力F′產生相同的效果，看F1、F2用平行四邊形定則求出的合力F與F′在實驗誤差允許范圍內是否相同. 2.實驗器材 木板、白紙、圖釘若干、橡皮條、細繩、彈簧測力計兩個、三角板、刻度尺. 3.實驗步驟 (1)用圖釘把一張白紙釘在水平桌面上的木板上. (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，使橡皮條伸長，結點到達某一位置O.如圖1甲所示. 圖1 (3)用鉛筆描下結點O的位置和兩個細繩套的方向，并記錄彈簧測力計的讀數，利用刻度尺和三角板根據平行四邊形定則求出合力F. (4)只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結點拉到與前面相同的位置O，記下彈簧測力計的讀數F′和細繩的方向，如圖乙所示. (5)比較F′與用平行四邊形定則求得的合力F，看它們在實驗誤差允許的范圍內是否相同. 1.正確使用彈簧測力計 (1)將兩只彈簧測力計調零后水平互鉤對拉過程中，讀數相同，可選；若不同，應另換或調校，直至相同為止. (2)使用時，讀數應盡量大些，但不能超出范圍. (3)被測力的方向應與軸線方向一致. (4)讀數時應正對、平視刻度. 2.注意事項 (1)位置不變：在同一次實驗中，使橡皮條拉長時結點的位置一定要相同，是為了使合力的作用效果與兩個分力共同作用效果相同，這是利用了等效替代的思想. (2)角度合適：用兩個彈簧測力計鉤住細繩套互成角度地拉橡皮條時，其夾角不宜太小，也不宜太大，以60～100之間為宜. (3)在合力不超出量程及在橡皮條彈性限度內形變應盡量大一些.細繩套應適當長一些，便于確定力的方向. (4)統(tǒng)一標度：在同一次實驗中，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. 3.誤差分析 (1)誤差來源：除彈簧測力計本身的誤差外，還有讀數誤差、作圖誤差等. (2)減小誤差的辦法： ①實驗過程中讀數時眼睛一定要正視彈簧測力計的刻度盤，要按有效數字位數要求和彈簧測力計的精度正確讀數和記錄. ②作圖時使用刻度尺，并借助于三角板，使表示兩力的對邊一定要平行. 命題點一　教材原型實驗 例1　(2017全國卷Ⅲ22) 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)的紙貼在水平桌面上，如圖2(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.測力計的示數如圖(b)所示，F的大小為________N. (2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點；現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，由測力計的示數讀出兩個拉力的大小分別為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2 ②F合的大小為________N，F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，則該實驗驗證了力的平行四邊形定則. 答案　(1)4.0　(2)①見解析圖 ?、?.0　0.05 解析　(1)由題圖(b)可知，F的大小為4.0 N (2)①畫出力F1、F2的圖示，如圖所示 ②用刻度尺量出F合的線段長約為20 mm，所以F合大小為4.0 N，F合與拉力F的夾角的正切值為tan α＝0.05. 變式1　(2015山東理綜21)某同學通過下述實驗驗證力的平行四邊形定則.實驗步驟： 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3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，直到彈簧秤示數為某一設定值時，將橡皮筋兩端的位置標記為O1、O2，記錄彈簧秤的示數F，測量并記錄O1、O2間的距離(即橡皮筋的長度l).每次將彈簧秤示數改變0.50 N，測出所對應的l，部分數據如下表所示： 圖3 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時橡皮筋兩端的位置，重新標記為O、O′，橡皮筋的拉力記為FO O′. ④在秤鉤上涂抹少許潤滑油，將橡皮筋搭在秤鉤上，如圖4所示.用兩圓珠筆尖成適當角度同時拉橡皮筋的兩端，使秤鉤的下端達到O點，將兩筆尖的位置標記為A、B，橡皮筋OA段的拉力記為FOA，OB段的拉力記為FOB. 圖4 完成下列作圖和填空： (1)利用表中數據在圖5的坐標紙上畫出Fl圖線，根據圖線求得l0＝________cm. 圖5 (2)測得OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，則FOA的大小為________N. (3)根據給出的標度，在圖6中作出FOA和FOB的合力F′的圖示. 圖6 (4)通過比較F′與________的大小和方向，即可得出實驗結論. 答案　(1)見解析圖　10.0(9.8、9.9、10.1均正確)　(2)1.80(1.70～1.90均正確)　(3)見解析圖　(4)FO O′ 解析　(1)作出Fl圖象，如圖甲所示，求得直線的截距即為l0，可得l0＝10.0 cm (2)可計算橡皮筋的勁度系數 k＝＝ N/m＝50 N/m 若OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，則橡皮筋的彈力為 F＝kΔx＝50(6.00＋7.60－10.00)10－2 N＝1.80 N 則此時FOA＝F＝1.80 N (3)FOB＝FOA＝1.80 N，兩力的合力F′如圖乙所示. (4)FOO′的作用效果和FOA、FOB兩個力的作用效果相同，F′是FOA、FOB兩個力的合力，所以通過比較F′和FOO′的大小和方向，可得出實驗結論. 變式2　(2015安徽理綜21Ⅰ)在“驗證力的平行四邊形定則”實驗中，某同學用圖釘把白紙固定在水平放置的木板上，將橡皮條的一端固定在板上一點，兩個細繩套系在橡皮條的另一端.用兩個彈簧測力計分別拉住兩個細繩套，互成角度地施加拉力，使橡皮條伸長，結點到達紙面上某一位置，如圖7所示.請將以下的實驗操作和處理補充完整： 圖7 (1)用鉛筆描下結點位置，記為O； (2)記錄兩個彈簧測力計的示數F1和F2，沿每條細繩(套)的方向用鉛筆分別描出幾個點，用刻度尺把相應的點連成線； (3)只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結點仍拉到位置O，記錄測力計的示數F3，________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； (4)按照力的圖示要求，作出拉力F1、F2、F3； (5)根據力的平行四邊形定則作出F1和F2的合力F； (6)比較________的一致程度，若有較大差異，對其原因進行分析，并作出相應的改進后再次進行實驗. 答案　(3)沿此時細繩(套)的方向用鉛筆描出幾個點，用刻度尺把這些點連成直線　(6)F和F3 解析　(3)此步驟中應記錄此時拉力的大小和方向，結合(2)的操作，(3)中橫線應填寫：沿此時細繩(套)的方向用鉛筆描出幾個點，用刻度尺把這些點連成直線.(6)要驗證力的平行四邊形定則，需要比較F和F3的大小、方向是否一致，故(6)中橫線應填寫F和F3. 命題點二　實驗拓展創(chuàng)新 實驗拓展創(chuàng)新的兩種方法 以本實驗為背景，以實驗中操作的注意事項、誤差來源設置條件，或通過改變實驗條件、實驗儀器設置題目. 1.對實驗原理的理解、實驗方法的遷移 2.實驗器材的改進 (1)橡皮筋彈簧測力計 (2)鉤碼彈簧測力計 例2　某小組為了驗證力的平行四邊形定則，設計了如圖8甲所示的實驗：在一個半圓形刻度盤上安裝兩個可以沿盤邊緣移動的拉力傳感器A、B，兩傳感器的掛鉤分別系著輕繩，輕繩的另一端系在一起，形成結點O，并使結點O位于半圓形刻度盤的圓心.在O點掛上重G＝2.00 N的鉤碼，記錄兩傳感器A、B的示數F1、F2及輕繩與豎直方向的夾角θ1、θ2，用力的圖示法即可驗證力的平行四邊形定則. 圖8 (1)當F1＝1.00 N、F2＝1.50 N，θ1＝45、θ2＝30時，請在圖乙中用力的圖示法作圖，畫出兩繩拉力的合力F，并求出合力F＝________N.(結果保留三位有效數字) (2)該組同學在實驗中，將傳感器A固定在某位置后，再將傳感器B從豎直位置的P點緩慢順時針旋轉，得到了一系列B傳感器的示數F2和對應的角度θ2，作出了如圖丙所示的F2－θ2圖象，由圖丙可知A傳感器所處位置的角度θ1＝________. 答案　(1)如圖所示　2.01(1.97～2.05)　(2) 解析　(1)先畫出力的標度，根據題中所給的數據，利用平行四邊形定則畫出力的圖示并求合力F＝2.01 N. (2)由題圖丙可知，當θ2＝和0時，F2的讀數都為2.0 N，根據平行四邊形定則，畫出如圖所示的三角形，由圖中幾何關系，可得θ1＝. 變式3　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，先將一條橡皮筋的另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9甲所示；再將另一條橡皮筋的另一端的細繩固定在墻上的釘子B上，如圖乙所示. 圖9 (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.要測量圖甲和圖乙中橡皮筋的長度 d.要記錄圖甲中結點O的位置及過結點O的豎直方向 e.要記錄圖乙中結點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是________. 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 答案　(1)bce　(2)c 解析　(1)首先應明白該實驗的實驗原理，即用橡皮筋的伸長量來表示彈力的大小，所以實驗中一定要測橡皮筋的長度，而沒必要關心細繩a、b的長度，選項b和c中的操作是需要的，為了確保力的合成的等效性，需要記錄題圖乙中結點O′的位置及過結點O′的豎直方向，選項e中的操作是必需的. (2)為了能用橡皮筋的伸長量表示彈力大小，滿足F＝kx，應讓k值相同，即橡皮筋的材料、粗細、原長均要相同，選項c正確. 變式4　小明通過實驗驗證力的平行四邊形定則. (1)實驗記錄紙如圖10所示，O點為橡皮筋被拉伸后伸長到的位置，兩彈簧測力計共同作用時，拉力F1和F2的方向分別過P1和P2點；一個彈簧測力計拉橡皮筋時，拉力F3的方向過P3點.三個力的大小分別為：F1＝3.30 N、F2＝3.85 N和F3＝4.25 N.請根據圖中給出的標度作圖求出F1和F2的合力. 圖10 (2)仔細分析實驗，小明懷疑實驗中的橡皮筋被多次拉伸后彈性發(fā)生了變化，影響實驗結果.他用彈簧測力計先后兩次將橡皮筋拉伸到相同長度，發(fā)現讀數不相同，于是進一步探究了拉伸過程對橡皮筋彈性的影響. 實驗裝置如圖11所示，將一張白紙固定在豎直放置的木板上，橡皮筋的上端固定于O點，下端N掛一重物.用與白紙平行的水平力緩慢地移動N，在白紙上記錄下N的軌跡.重復上述過程，再次記錄下N的軌跡. 圖11　　　　　　　　　圖12 兩次實驗記錄的軌跡如圖12所示.過O點作一條直線與軌跡交于a、b兩點，則實驗中橡皮筋分別被拉伸到a和b時所受拉力Fa、Fb的大小關系為________. (3)根據(2)中的實驗，可以得出的實驗結果________.(填寫選項前的字母) A.橡皮筋的長度與受到的拉力成正比 B.兩次受到的拉力相同時，橡皮筋第2次的長度較長 C.兩次被拉伸到相同長度時，橡皮筋第2次受到的拉力較大 D.兩次受到的拉力相同時，拉力越大，橡皮筋兩次的長度之差越大 (4)根據小明的上述實驗探究，請對驗證力的平行四邊形定則實驗提出兩點注意事項. 答案　(1)見解析圖(F合＝4.6～4.9 N都算對)　(2)Fa＝Fb　(3)BD　(4)橡皮筋拉伸不宜過長；選用新橡皮筋.(或：拉力不宜過大；選用彈性好的橡皮筋；換用彈性好的彈簧.) 解析　(1)作出的圖示如圖所示. (2)重物受力情況如圖所示，由于重力不變，兩次實驗時，橡皮筋拉力FT的方向相同，故水平拉力F大小相等，即Fa＝Fb. (3)根據題圖可知，選項B、D正確，選項A、C錯誤. (4)橡皮筋拉伸不宜過長，選用新橡皮筋等可減小誤差.