2019-2020学年新教材高中物理 第三章 实验：探究两个互成角度的力的合成规律（第2课时）课件

实验：探究两个互成角度的力的合成规律(第2课时)实验目的1.练习用作图法求两个力的合力。2.验证两个互成角度的力合成的平行四边形定则。实验原理1．合力F′的确定：把一端固定的同一根橡皮条拉伸到某点，一次只用一个力F′的作用，另一次用两个共点力F1与F2的共同作用，则F′为F1和F2的合力。2．合力理论值F的确定：作出F1和F2的图示，根据平行四边形定则利用作图法求得合力F。3．平行四边形定则的验证：在实验误差允许的范围内，比较F′和F是否大小相等、方向相同。实验器材实验步骤与数据处理方木板、白纸、弹簧测力计两个、橡皮条、细绳套、三角板、刻度尺、图钉若干。1．用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。2．用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套。3．用两个弹簧测力计分别勾住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条的结点拉到某一位置O，如图甲所示。记录两弹簧测力计的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两细绳套的方向。4．用铅笔和刻度尺从O点沿两个细绳套的方向画直线，按选定的标度作出这两个弹簧测力计的读数F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合力F的图示，如图乙所示。5．只用一个弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O，记下弹簧测力计的读数和细绳套的方向，用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这个弹簧测力计的拉力F′的图示，如图乙所示。6．比较力F′与用平行四边形定则求出的合力F在大小和方向上是否相同。7．改变两个力F1和F2的大小和夹角，再重复实验两次。误差分析1．使用中，弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧测力计的外壳和白纸之间有摩擦力存在会引起系统误差。2．两次测量拉力时，橡皮条的结点不可能做到完全拉到同一点从而会造成偶然误差。3．两个分力的夹角太小或太大，F1、F2数值太小，应用平行四边形定则作图时，会造成偶然误差。注意事项1．弹簧测力计使用前要检查指针是否指在零刻度线上，否则应校正零位(无法校正的要记录下零误差)。还需用钩码检查是否存在示值误差，若存在，应加以校正。2．被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦。3．在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点一定要拉到同一位置。4．在具体实验时，两分力间夹角不宜过大，也不宜过小，以60°～120°之间为宜。5．读数时应正视、平视刻度。6．使用弹簧测力计测力时，拉力应适当大些，但不能超出它的测量范围。考点一实验原理与操作[典例1]“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验如图甲所示，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，图乙为白纸上根据实验要求画出的图示。(1)本实验中“等效替代”的含义是________。A．橡皮条可以用细绳替代B．左侧弹簧测力计的作用效果可以替代右侧弹簧测力计的作用效果C．右侧弹簧测力计的作用效果可以替代左侧弹簧测力计的作用效果D．两弹簧测力计共同作用的效果可以用一个弹簧测力计的作用效果替代(2)图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是________。(3)[多选]下列措施中可减小实验误差的是________。A．拉橡皮条的细绳细些且长度适当B．拉橡皮条时，弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板面平行C．记录弹簧测力计拉力方向时，标记同一细绳方向的两点要远些D．应使拉力F1和F2的夹角为90°[解析](1)本实验中“等效替代”的含义是两弹簧测力计共同作用的效果可以用一个弹簧测力计的作用效果替代，故D正确。(2)题图乙中的F是合力的理论值，而F′是合力的实际值，两力中，方向一定沿AO方向的是F′。(3)拉橡皮条的细绳细些且长度适当，以便确定力的方向，选项A正确；拉橡皮条时，弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板面平行，选项B正确；记录弹簧测力计拉力方向时，标记同一细绳方向的两点要远些，这样可减小记录方向时产生的误差，选项C正确；拉力F1和F2的夹角不一定为90°，大小适当即可，选项D错误。[答案](1)D(2)F′(3)ABC[对点训练]1．做“探究两个互成角度的力合成的规律”的实验时：(1)下列器材必需要用的是________(多选)。(2)在做上述实验时，在水平放置的木板上垫上一张白纸，把橡皮条的一端固定在板上，另一端拴上两个细绳套，通过细绳用两个互成角度的弹簧测力计拉橡皮条，使结点移到某一位置O，此时需记下：①______________；②______________；③______________。然后用一个弹簧测力计把橡皮条拉长，使结点到达________________，再记下________________。(3)在某次实验中，某同学的实验结果如图所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳结点的位置。图中________是力F1与F2的合力的理论值；________是力F1与F2的合力的实验值。通过把F和F′进行比较，验证平行四边形定则。解析：(1)实验中要作平行四边形，故需要用刻度尺，要通过弹簧测力计拉伸橡皮条来显示力的效果。(2)实验中要记录橡皮条拉伸后O点的位置、弹簧测力计的读数及力的方向。(3)本实验中合力的理论值是通过作平行四边形得出，而合力的实验值则是通过用一个弹簧测力计拉橡皮条使结点到达同一O点而直接测得。答案：(1)BC(2)①O点位置②细绳所指方向③相应弹簧测力计读数同一位置O点弹簧测力计读数和细绳方向(3)FF′考点二数据处理和误差分析[典例2]在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，现有木板、白纸、图钉、橡皮条、细绳套和一个弹簧测力计。(1)为完成实验，某同学另找来一根弹簧，测量其劲度系数，得到的实验数据如表所示。弹力F/N0.501.001.502.002.503.003.50伸长量x/(×10－2m)0.741.802.803.724.605.586.42用作图法求得该弹簧的劲度系数k＝________N/m。(2)某次实验中，弹簧测力计的指针位置如图所示，其读数为________N；同时利用(1)中结果获得弹簧上的弹力值为2.50N，请画出这两个共点力的合力F合。(3)由图得到F合＝________N。[解析](1)根据表格数据描点，然后连成一条过原点的直线，如图所示，直线的斜率表示弹簧的劲度系数，k＝3.56.42×10－2N/m≈55N/m。(2)读出弹簧测力计的读数为2.10N(保留三位有效数字)；以O为顶点，画出两细绳套的方向就是两拉力方向，再确定并画好力的标度，画出两拉力的图示，以两拉力为邻边作出平行四边形，画出平行四边形的对角线，即合力F合。(3)用刻度尺量出合力的长度，根据确定的标度算出合力的大小，即F合＝3.30N。[答案](1)55(53～57均可)(2)2.10(2.08～2.12均可)见解析图(3)3.30(3.10～3.50均可)[对点训练]2．在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，用两个弹簧测力计把橡皮条的端点拉到O处，如图所示已经作出拉力F1、F2，图中方格每边长度表示1N。(1)用直尺、三角板作出F1、F2的合力后，由所作的图可知，F1、F2的合力F大小为________N；(2)用一个弹簧测力计把橡皮条的端点拉到O处，此时拉力为F′。由图可知，F′与F的大小、方向略有偏差，如果此偏差仅由F1的大小引起，则引起偏差的原因是F1的大小比真实值偏______(填“大”或“小”)。解析：(1)以F1、F2为邻边，作出平行四边形，如图所示：由图可知：合力为F＝1×7N＝7N。(2)合力F′与F的大小、方向略有偏差，如果此偏差仅由F1引起，由图可知F1与F′的夹角比F1与F的大，故F1的大小比真实值偏大。答案：7大考点三实验创新考查[典例3]某同学利用如图所示的装置来探究求合力的方法：在竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，将绳子打一个结点O，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子的拉力FTOA、FTOB和FTOC，回答下列问题：(1)[多选]改变钩码个数，实验能完成的是________。(绳子能承受的拉力足够大)A．钩码的个数N1＝N2＝2，N3＝4B．钩码的个数N1＝N3＝3，N2＝4C．钩码的个数N1＝N2＝N3＝4D．钩码的个数N1＝3，N2＝4，N3＝5(2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是________。A．标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向和钩码个数B．量出OA、OB、OC三段绳子的长度C．用量角器量出三段绳子之间的夹角D．用天平测出钩码的质量(3)在作图时，你认为图中________(填“甲”或“乙”)是正确的。[解析](1)对O点受力分析如图所示，OA、OB、OC分别表示FTOA、FTOB、FTOC的大小，由于三个共点力处于平衡，所以FTOA、FTOB的合力大小等于FTOC，且FTOCFTOA＋FTOB，即|FTOA－FTOB|FTOCFTOA＋FTOB，故B、C、D能完成实验。(2)为探究求合力的方法，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的位置，其次要作出力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，故最重要的一个步骤是要记录钩码的个数和记录OA、OB、OC三段绳子的方向，故A正确，B、C、D错误。(3)以O点为研究对象，F3的实际作用效果在OC这条线上(竖直方向)，由于误差的存在，F1、F2的合力的理论值与实际值有一定偏差，故题图甲符合实际，题图乙不符合实际。[答案](1)BCD(2)A(3)甲[对点训练]3.在进行“探究共点力合成的规律”的实验中，用如图(a)所示的两个力拉弹簧使之伸长至某一位置，并适当调整力的方向，使两力之间的夹角为90°。(图中钩码规格相同)(1)换用一根线牵引弹簧[图(b)]，使弹簧的伸长量与两个力作用时相同，此时需要挂________个与图甲中相同规格的钩码。(2)你对合力与分力遵循的规律作出的猜想是________。(3)本实验采用的科学方法是__________。A．理想实验B．等效替代C．控制变量D．物理模型解析：(1)设一个钩码受到的重力为G，题图(a)中互成90°的两个力F1＝3G，F2＝4G，则合力为F＝F12＋F22＝5G，题图(b)中为了保持拉力的作用效果相同，故要挂5个规格相同的钩码。(2)根据3、4、5个钩码及夹角的关系，可知猜想出力的合成遵循平行四边形定则或三角形定则。(3)该实验保证合力与几个分力共同作用的作用效果相同，运用了等效替代法，故B正确。答案：(1)5(2)力的合成遵循平行四边形定则(或三角形定则)(3)B