高考物理必考实验精细精讲实验三验证力的平行四边形定则学案

实验三验证力的平行四边形定则目录课前预习·基础落实课堂互动·考点突破课前预习·基础落实【实验目的】1．验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。2．培养学生应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。【实验原理】(1)等效法：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以一个力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的图示，如图实Ⅲ－1所示。(2)平行四边形法：根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示。(3)验证：比较F和F′的大小和方向是否相同，若在误差允许的范围内相同，则验证了力的平行四边形定则。【实验器材】方木板一块、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(几个)、细芯铅笔。【实验过程】1．在水平桌面上平放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸固定在方木板上。2．用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端系上细绳套。3．用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图实Ⅲ－2所示。4．用铅笔描下O点的位置和两条细绳的方向，读出并记录两个弹簧测力计的示数。5．用铅笔和刻度尺在白纸上从O点沿两条细绳的方向画直线，按一定的标度作出两个力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点的平行四边形的对角线即为合力F。6．只用一个弹簧测力计，通过细绳把橡皮条的结点拉到同样的位置O，读出并记录弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度用刻度尺从O点作出这个力F′的图示。7．比较F′与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向，看它们在实验误差允许的范围内是否相等。8．改变F1和F2的大小和方向，再做两次实验。【注意事项】1．同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，若两只弹簧测力计在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换，直至相同为止。2．在同一次实验中，使橡皮条拉长时，结点O的位置一定要相同。3．用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时，夹角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之间为宜。4．读数时应注意使弹簧测力计与木板平行，并使细绳套与弹簧测力计的轴线在同一条直线上，避免弹簧测力计的外壳与弹簧测力计的限位卡之间有摩擦。5．细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连接，即可确定力的方向。6．在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些。【误差分析】1．误差来源：除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等。2．减小误差的办法：(1)实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。(2)作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行。课堂互动·考点突破考点一实验的原理与操作[例1]某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图实Ⅲ－3甲所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳的结点，OB和OC为细绳。图实Ⅲ－3乙是在白纸上根据实验结果画出的图。(1)如果没有操作失误，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是________。(2)本实验采用的科学方法是________。A．理想实验法B．等效替代法C．控制变量法D．建立物理模型法(3)实验时，主要的步骤是：A．在桌上放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上；B．用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端系着绳套；C．用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O。记录下O点的位置，读出两个弹簧测力计的示数；D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F；E．只用一只弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示；F．比较F′和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论。上述步骤中：①有重要遗漏的步骤的序号是________和________；②遗漏的内容分别是__________和____________。[解析](1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向；而根据平行四边形定则作出的合力，由于误差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F′。(2)一个力的作用效果与两个力的作用效果相同，它们的作用效果可以等效替代，故B正确。(3)①根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作规程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E。②在C中未记下两条细绳的方向，E中未说明是否把橡皮条的结点拉到同一位置O。[答案](1)F′(2)B(3)①CE②C中应加上“记下两条细绳的方向”E中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置O”[点评]①两次的效果相同是指两次橡皮条拉伸的方向和伸长量均相同，即需拉到同一位置O。②用一个弹簧测力计拉时，拉力的方向一定沿橡皮条的拉伸方向。针对训练：1．(安徽理综)在“验证力的平行四边形定则”实验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮条的一端固定在板上一点，两个细绳套系在橡皮条的另一端。用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套，互成角度地施加拉力，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，如图实Ⅲ－4所示。请将以下的实验操作和处理补充完整：(1)用铅笔描下结点位置，记为O；(2)记录两个弹簧测力计的示数F1和F2，沿每条细绳(套)的方向用铅笔分别描出几个点，用刻度尺把相应的点连成线；(3)只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置O，记录测力计的示数F3，_________________________________________；(4)按照力的图示要求，作出拉力F1、F2、F3；(5)根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F；(6)比较________的一致程度，若有较大差异，对其原因进行分析，并作出相应的改进后再次进行实验。解析(3)沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线。(6)为了验证力的平行四边形定则，需比较合力F与拉力F3的一致程度。答案(3)见解析(6)F和F3考点二实验数据的处理[例2](山东理综)某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。实验步骤：①将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向。②如图实Ⅲ－5所示，将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上，另一端用圆珠笔尖竖直向下拉，直到弹簧秤示数为某一设定值时，将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2，记录弹簧秤的示数F，测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮筋的长度l)。每次将弹簧秤示数改变0.50N，测出所对应的l，部分数据如下表所示：③找出②中F＝2.50N时橡皮筋两端的位置，重新标记为O、O′，橡皮筋的拉力记为FOO′。④在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图实Ⅲ－6所示。用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端，使秤钩的下端达到O点，将两笔尖的位置标记为A、B，橡皮筋OA段的拉力记为FOA，OB段的拉力记为FOB。完成下列作图和填空：(1)利用表中数据在图实Ⅲ－7中画出F－l图线，根据图线求得l0＝________cm。(2)测得OA＝6.00cm，OB＝7.60cm，则FOA的大小为________N。(3)根据给出的标度，在图实Ⅲ－8中作出FOA和FOB的合力F′的图示。(4)通过比较F′与________的大小和方向，即可得出实验结论。[解析](1)根据表格数据，作出F－l图线见下图，图线的截距即表示橡皮筋原长，因此l0＝10.0cm。(2)橡皮筋总长l＝OA＋OB＝13.60cm，根据F－l图线，可读出弹簧长度l＝13.60cm时橡皮筋的拉力为1.80N。(3)根据平行四边形定则作图，对角线表示合力F′。见下图。(4)若F′与FOO′在误差范围内大小相等、方向相同，就表明力的平行四边形定则是正确的。[答案](1)作图见解析10.0(9.8，9.9，10.1均正确)(2)1.80(1.70～1.90均正确)(3)作图见解析(4)FOO′针对训练：2．“探究求合力的方法”的实验装置如图实Ⅲ－9甲所示。(1)某次实验中，弹簧测力计的指针位置如图实Ⅲ－9甲所示。其中，细绳CO对O点的拉力大小为________N；(2)请将图甲中细绳CO和BO对O点两拉力的合力F合画在图乙上，由图求出合力的大小F合＝________N(保留两位有效数字)；(3)某同学对弹簧测力计中弹簧的劲度系数是多少很感兴趣，于是，他将刻度尺与弹簧测力计平行放置，如图丙所示，利用读得的数据，他得出了弹簧的劲度系数，那么，该弹簧的劲度系数k＝________N/m(保留两位有效数字)。解析(1)由图甲可读出CO对O点的拉力大小为2.60N。(2)在图乙上的画图如图所示，结合作图可求知合力大小为5.1N。(3)由图丙可知，弹簧测力计零刻度线对应5.0mm，2.60N对应48.0mm，由胡克定律，F＝kx，解得k＝F/x＝60N/m。答案(1)2.60(2)图见解析5.1(3)60考点三创新实验设计(实验器材创新)[例3](衡阳模拟)如图实Ⅲ－10所示，某实验小组同学利用DIS实验装置研究支架上力的分解。A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负。A连接质量不计的细绳，可沿固定的板做圆弧形移动。B固定不动，通过光滑铰链连接长0.3m的杆。将细绳连接在杆右端O点构成支架。保持杆在水平方向，按如下步骤操作：①测量绳子与水平杆的夹角∠AOB＝θ②对两个传感器进行调零③用另一根绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数④取下钩码，移动传感器A改变θ角重复上述实验步骤，得到表格。(1)根据表格数据，A传感器对应的是表中力________(选填“F1”或“F2”)。钩码质量为________kg(保留一位有效数字)。(2)本实验中多次对传感器进行调零，对此操作说明正确的是（）A．因为事先忘记调零B．何时调零对实验结果没有影响C．为了消除横杆自身重力对结果的影响D．可以完全消除实验的误差[解析](1)A传感器中的力均为正值，故A传感器对应的是表中力F1，平衡时，mg＝F1sinθ，当θ＝30°时，F1＝1.001N，可求得m＝0.05kg。(2)在挂钩码之前，对传感器进行调零，目的是为了消除横杆自身重力对结果的影响，故C正确。[答案](1)F10.05(2)C针对训练：3．某同学尝试用橡皮筋等器材验证力的平行四边形定则，他找到两条相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端与细绳连接，结点为O，细绳下挂一重物，两橡皮筋的另一端也都连有细绳。实验时，先将一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子A上，另一条橡皮筋任其下垂，如图实Ⅲ－11甲所示；再将另一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子B上，如图实Ⅲ－11乙所示。(1)为完成实验，下述操作中必需的是A．两橡皮筋的另一端连接的细绳a、b长度要相同B．要测量橡皮筋的原长C．要测量图甲和图实Ⅲ－11乙中橡皮筋的长度D．要记录图甲中结点O的位置及过结点O的竖直方向E．要记录图乙中结点O′的位置及过结点O′的竖直方向(2)对该实验“两条相同的橡皮筋”的要求的理解正确的是（）A．橡皮筋的材料和原长相同即可B．橡皮筋的材料和粗细相同即可C．橡皮筋的材料、原长和粗细均要相同解析(1)首先应明白该实验的实验原理，即用橡皮筋的伸长量来表示弹力的大小，所以实验中一定要测橡皮筋的长度，而没必要关心细绳a、b的长度，选项B和C中的操作是需要的，为了确保力的合成的等效性，需要题图乙中结点O′的位置及过结点O′的竖直方向，选项E中的操作是必需的。(2)为了能用橡皮筋的伸长量表示弹力大小，