2020年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第2章 相互作用 實驗專題（三）第10講 驗證力的平行四邊形定則學(xué)案（含解析）.doc
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第10講 驗證力的平行四邊形定則 一、實驗?zāi)康? 1．驗證互成角度的兩個共點力合成時的平行四邊形定則。 2．學(xué)會用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)和得出實驗結(jié)論。 二、實驗器材 方木板、白紙、彈簧測力計(兩個)、橡皮條、細(xì)繩套(兩個)、短細(xì)繩、三角板、刻度尺、圖釘(幾個)、鉛筆。 考點一 實驗原理與操作 1．實驗原理 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位置，所以力F′就是這兩個力F1和F2的合力。作出力F′的圖示，再根據(jù)平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示，比較F和F′的大小和方向是否相同，若相同，則說明互成角度的兩個力合成時遵循平行四邊形定則。 2．實驗步驟 (1)用圖釘把白紙釘在水平桌面上的方木板上，并用圖釘把橡皮條的一端固定在A點，橡皮條的另一端拴一短細(xì)繩，短細(xì)繩的另一端拴上兩個細(xì)繩套。 (2)用兩只彈簧測力計分別鉤住細(xì)繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長到某一位置O，如圖所示，記錄兩只彈簧測力計的讀數(shù)F1、F2，用鉛筆描下O點的位置及此時兩個細(xì)繩套的方向。 (3)只用一只彈簧測力計通過細(xì)繩套把橡皮條的結(jié)點拉到同樣的位置O，記下彈簧測力計的讀數(shù)F′和細(xì)繩套的方向。 (4)用鉛筆和刻度尺從結(jié)點O沿兩條細(xì)繩套方向畫直線，按選定的標(biāo)度作出這兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，此對角線即為合力F的圖示。 (5)用刻度尺從O點按同樣的標(biāo)度沿記錄的方向作出只用一只彈簧測力計時的拉力F′的圖示。 (6)比較一下力F′與用平行四邊形定則求出的合力F的大小和方向是否相同。 (2015安徽高考)在“驗證力的平行四邊形定則”實驗中，某同學(xué)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(xì)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(xì)繩套，互成角度地施加拉力，使橡皮條伸長，結(jié)點到達紙面上某一位置，如圖所示。請將以下的實驗操作和處理補充完整： (1)用鉛筆描下結(jié)點位置，記為O； (2)記錄兩個彈簧測力計的示數(shù)F1和F2，沿每條細(xì)繩(套)的方向用鉛筆分別描出幾個點，用刻度尺把相應(yīng)的點連成線； (3)只用一個彈簧測力計，通過細(xì)繩套把橡皮條的結(jié)點仍拉到位置O，記錄測力計的示數(shù)F3，______________________________________________________ ___________________________________________________________________； (4)按照力的圖示要求，作出拉力F1、F2、F3； (5)根據(jù)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(yīng)的改進后再次進行實驗。 解析 使一個力F3的作用效果和兩個力F1、F2的共同作用效果相同，都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長到同一點，則力F3就是這兩個力F1、F2的合力。作出F3的圖示，再根據(jù)力的平行四邊形定則作出力F1、F2的合力F的圖示，比較F和F3的大小和方向是否相同，從而驗證力的平行四邊形定則。因為力是矢量，所以本實驗中必須記錄結(jié)點O的位置以及彈簧彈力的大小和方向。 答案 (3)沿此細(xì)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 特別提醒 (1)不要直接以橡皮條的端點為結(jié)點，可拴一短細(xì)繩連接兩個細(xì)繩套，以三繩交點為結(jié)點，且應(yīng)使結(jié)點小些，以便準(zhǔn)確地記錄結(jié)點的位置O。 (2)使用彈簧測力計前，應(yīng)先調(diào)節(jié)零刻度，使用時不能超過量程。拉彈簧測力計時，應(yīng)使彈簧測力計與木板平行。被測力的方向應(yīng)與彈簧測力計軸線方向一致，拉動彈簧時不可與外殼相碰或摩擦。 (3)在同一次實驗中，橡皮條伸長時的結(jié)點位置要相同。 (4)兩個拉力F1和F2的夾角不宜過小或過大，作力的圖示時，標(biāo)度要一致。 (5)讀數(shù)時應(yīng)正對、平視刻度。 某同學(xué)做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖甲所示，其中A為固定橡皮條的圖釘，O為橡皮條與細(xì)繩的結(jié)點所在位置，OB與OC為細(xì)繩。圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結(jié)果畫出的圖。 (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(xué)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 (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(xì)繩，細(xì)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(jié)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)F1和F2； D．按選好的標(biāo)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； E．只用一個彈簧測力計，通過細(xì)繩套拉橡皮條使其伸長，讀出彈簧測力計的示數(shù)F′，記下細(xì)繩的方向，按同一標(biāo)度作出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(jié)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_________________。 答案 (1)F′ (2)B (3)①C E?、贑中應(yīng)加上“記下兩條細(xì)繩的方向” E中應(yīng)說明“把橡皮條的結(jié)點拉到同一位置O” 解析 (1)由一個彈簧測力計拉橡皮條至O點的拉力一定沿AO方向；而根據(jù)平行四邊形定則作出的合力，由于誤差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F′。 (2)一個力的作用效果與兩個力的作用效果相同，它們的作用效果可以等效替代，B正確。 (3)①根據(jù)“驗證力的平行四邊形定則”實驗的操作步驟可知，有重要遺漏的步驟的序號是C、E。 ②在C中未記下兩條細(xì)繩的方向，E中未說明是否把橡皮條的結(jié)點拉到同一位置O。 考點二 數(shù)據(jù)處理與誤差分析 1．?dāng)?shù)據(jù)處理——作圖法 在“驗證力的平行四邊形定則”的實驗中，由作圖法得到的合力F與實際測量得到的合力F′不可能完全重合，只要在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為F與F′重合，即可驗證力的平行四邊形定則，如圖所示。 2．誤差分析 (1)用兩個彈簧測力計拉橡皮條時，橡皮條、細(xì)繩和彈簧測力計不在同一個平面內(nèi)時，這樣得到的兩個彈簧測力計的水平分力的實際合力會比由作圖法得到的合力小。 (2)結(jié)點的位置O和兩個彈簧測力計的方向畫得不準(zhǔn)會造成作圖誤差。 (3)作圖比例不恰當(dāng)會造成作圖誤差。 將橡皮條的一端固定在A點，另一端拴上兩根細(xì)繩，每根細(xì)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(dāng)橡皮條的活動端拉到O點時，兩根細(xì)繩相互垂直，如圖甲所示。這時彈簧測力計的讀數(shù)可從圖中讀出。 (1)由圖甲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。 (3)圖丙中a、b兩圖是兩位同學(xué)得到的實驗結(jié)果，其中哪一個圖符合實際？若合力測量值F′是準(zhǔn)確的，則F與F′有誤差的原因可能是哪些？ 解析 (3)合力的測量值F′一定指向AO方向，故b圖符合實際。F與F′有誤差的原因：①彈簧測力計本身有誤差；②讀數(shù)誤差；③作圖誤差。 答案 (1)2.50 4.00(或4.00 2.50) (2)如圖所示 (3)b圖 見解析 特別提醒 (1)作圖時要選好標(biāo)度，合力F合的大小要根據(jù)所選標(biāo)度和對角線長度計算得出。 (2)實驗理論值不一定沿橡皮條方向，但單個彈簧測力計的拉力F′一定沿橡皮條方向，讀數(shù)不準(zhǔn)和作圖不準(zhǔn)都可能使F與F′不完全重合。 在“探究求合力的方法”實驗中，現(xiàn)有木板、白紙、圖釘、橡皮條、細(xì)繩套和一只彈簧測力計。 (1)為完成實驗，某同學(xué)另找來一根彈簧，先測量其勁度系數(shù)，得到的實驗數(shù)據(jù)如下表： 請在圖1中畫出圖象，并求得該彈簧的勁度系數(shù)k＝________ N/m。 (2)某次實驗中，彈簧測力計的指針位置如圖2所示，其讀數(shù)為________ N；同時利用(1)中結(jié)果獲得彈簧上的彈力值為2.50 N，請在虛線框內(nèi)畫出這兩個共點力的合力F合的圖示。 (3)由畫出的圖示得到F合＝________ N。 (4)某次實驗中甲、乙兩位同學(xué)得到的結(jié)果如圖3所示，其中________同學(xué)的實驗結(jié)果比較符合實驗事實(力F′是用一只彈簧測力計拉橡皮條時拉力的圖示)。 (5)在以上實驗結(jié)果比較符合實驗事實的一位同學(xué)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a所示 55(2內(nèi)均可) (2)2.10(0.02內(nèi)均可) 如圖b所示 (3)3.4(0.2內(nèi)均可) (4)甲 (5)①FC讀數(shù)比真實值偏小；②確定力的方向不準(zhǔn)確、作圖不精確 解析 (1)根據(jù)描點法作出圖象。根據(jù)圖象得k＝＝55 N/m。 (2)彈簧測力計的分度為0.1 N，要估讀一位，故讀數(shù)為2.10 N。作力的圖示時要注意標(biāo)注標(biāo)度。 (4)作圖法得到的F必為平行四邊形的對角線，單個彈簧測力計的拉力F′一定與橡皮條共線，故甲同學(xué)的實驗結(jié)果比較符合實驗事實。 (5)分析(4)中甲同學(xué)的作圖，可知誤差的原因可能是：①FC讀數(shù)偏小，或FB讀數(shù)偏大；②FB或FC方向確定得不準(zhǔn)確；③作圖不準(zhǔn)等。 考點三 實驗改進與創(chuàng)新 實驗拓展創(chuàng)新的兩種方法 1．對實驗原理、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。 某學(xué)生實驗小組設(shè)計了一個“驗證力的平行四邊形定則”的實驗，裝置如圖甲所示，在豎直放置的木板上部附近兩側(cè)，固定兩個力傳感器，同一高度放置兩個可以移動的定滑輪，兩根細(xì)繩跨過定滑輪分別與兩力傳感器連接，在兩細(xì)繩連接的結(jié)點O下方懸掛鉤碼，力傳感器1、2的示數(shù)分別為F1、F2，調(diào)節(jié)兩個定滑輪的位置可以改變兩細(xì)繩間的夾角。實驗中使用若干相同的鉤碼，每個鉤碼質(zhì)量均為100克，取g＝9.8 m/s2。 (1)關(guān)于實驗，下列說法正確的是( ) A．實驗開始前，需要調(diào)節(jié)木板使其位于豎直平面內(nèi) B．每次實驗都必須保證結(jié)點位于O點 C．實驗時需要記錄鉤碼數(shù)量、兩力傳感器的示數(shù)和三細(xì)繩的方向 D．實驗時還需要用一個力傳感器單獨測量懸掛于O點鉤碼的總重力 (2)根據(jù)某次實驗得到的數(shù)據(jù)，該同學(xué)已經(jīng)按照力的圖示的要求畫出了F1、F2，請你作圖得到F1、F2的合力F(只作圖，不求大小)，并寫出該合力不完全豎直的一種可能原因。_______________________________________________________。 解析 (1)實驗開始前，需要調(diào)節(jié)木板使其位于豎直平面內(nèi)，以保證鉤碼重力等于細(xì)線中的拉力，A正確；該裝置每次實驗不需要保證結(jié)點位于O點，B錯誤；實驗時需要記錄鉤碼數(shù)量、兩力傳感器的示數(shù)和三細(xì)繩的方向，C正確；懸掛于O點鉤碼的總重力可以根據(jù)鉤碼的質(zhì)量得出，不需要力傳感器測量，D錯誤。 (2)利用平行四邊形定則作出F1和F2的合力F。該合力方向不完全在豎直方向的可能原因是定滑輪有摩擦、木板未豎直放置等。 答案 (1)AC(2)圖如解析所示 定滑輪有摩擦、木板未豎直放置等(回答出一項合理答案即可) 方法感悟 (1)用鉤碼替換彈簧測力計，由記錄鉤碼個數(shù)取代彈簧測力計讀數(shù)，減小讀數(shù)誤差。 (2)用力傳感器代替彈簧測力計，減小讀數(shù)誤差。 某實驗小組用一個彈簧測力計和一個量角器等器材驗證力的平行四邊形定則，設(shè)計了如圖所示的實驗裝置，固定在豎直木板上的量角器的直邊水平，橡皮筋的一端固定于量角器的圓心O的正上方A處，另一端系繩套1和繩套2，主要實驗步驟如下： (1)彈簧測力計掛在繩套1上豎直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的結(jié)點到達O點處，記下彈簧測力計的示數(shù)F； (2)彈簧測力計掛在繩套1上，手拉著繩套2，緩慢拉橡皮筋，使橡皮筋的結(jié)點到達O處，此時繩套1沿0方向，繩套2沿120方向，記下彈簧測力計的示數(shù)F′； (3)根據(jù)力的平行四邊形定則計算繩套1的拉力為________； (4)比較____________________即可初步驗證； (5)只改變繩套2的方向，重復(fù)上述實驗步驟； (6)將繩套1由0方向緩慢轉(zhuǎn)動到60方向，同時繩套2由120方向緩慢轉(zhuǎn)動到180方向，此過程中保持橡皮筋的結(jié)點在O處不動，保持繩套1和繩套2的夾角120不變，關(guān)于繩套1的拉力大小的變化，下列結(jié)論正確的是________。(填選項前的序號) A．逐漸增大 B．先增大后減小 C．逐漸減小 D．先減小后增大 答案 (3)F (4)F′和F (6)A 解析 在用兩個力拉繩套時，由于夾角為120，根據(jù)平行四邊形定則，由幾何知識可得繩套1的拉力為F，只需驗證F′和F是否相等即可。 兩個繩套在轉(zhuǎn)動過程中，夾角不變，且合力保持不變，作出力的矢量三角形如圖所示。由正弦定理知＝，當(dāng)繩套1從0轉(zhuǎn)到60方向時，θ從30增大到90，所以繩套1的拉力大小F1逐漸增大。 課后作業(yè) 1．有同學(xué)利用如圖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(jié)點O，每個鉤碼的重量相等，當(dāng)系統(tǒng)達到平衡時，根據(jù)鉤碼個數(shù)讀出三段繩子的拉力F1、F2和F3，回答下列問題： (1)改變鉤碼個數(shù)，實驗?zāi)芡瓿傻氖? ) 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(biāo)記結(jié)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)根據(jù)實驗原理及操作，在作圖時，你認(rèn)為圖中________是正確的。(填“甲”或“乙”) 答案 (1)BCD (2)A (3)甲 解析 (1)實驗中的分力與合力的關(guān)系必須滿足：|F1－F2|下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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