2019-2020学年新教材高中物理 第4章 第1节 科学探究：力的合成 实验（第1课时）课件 鲁科

第4章力与平衡第1节科学探究：力的合成实验：探究两个互成角度的力的合成规律(第1课时)实验目的1．探究两个互成角度的共点力与其合力间的关系。2．学习用等效思想探究矢量合成的方法。实验器材木板、橡皮筋、细绳、弹簧测力计、图钉、白纸、铅笔、刻度尺、三角板。实验原理与设计1．让两个互成角度的共点力F1与F2作用于某一物体，并产生明显的作用效果。2．用一个力F来代替F1和F2，产生同样的作用效果。3．测出F1、F2和F，比较它们的大小和方向，找出规律。实验步骤1．如图(a)所示，在铺有白纸的木板上，将橡皮筋一端用图钉固定于A点，另一端与两细线打一个结点B。两细线分别挂上弹簧测力计。2．如图(b)所示，分别用力拉两只弹簧测力计，用铅笔标出结点B被拉伸到的位置，记为O点。记下此时两只弹簧测力计的示数F1、F2，并沿两细线标记出力的方向。3．如图(c)所示，用力拉一只弹簧测力计。同样将结点B拉到O处。记下此时弹簧测力计的示数F,并沿细线标记出力的方向。4．用力的图示画出F1、F2及F。探究共点力的合成数据分析及结论1．数据分析(1)比较F1、F2、F的大小和方向，能否看出三者之间的关系？试一试，将F1、F2、F的箭头端用虚线连起来，找出满足的规律并进行论证。(2)改变两个力F1与F2的大小和夹角，再重复上述实验两次。2．实验结论在实验误差允许的范围内，F是F1与F2的合力，F1、F2和F满足平行四边形定则。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纸面之间有摩擦力存在会引起系统误差。2．两次测量拉力时，橡皮筋的结点不可能做到完全拉到同一点而造成偶然误差。3．两个分力的夹角太小或太大，F1、F2数值太小，作出力的图示求合力时，会造成偶然误差。注意事项1．结点(1)定位结点时要准确；(2)同一次实验中橡皮筋结点位置必须保持不变。2．拉力(1)用弹簧测力计测拉力时要使拉力沿弹簧测力计轴线方向；(2)应使橡皮筋、弹簧测力计和细绳套位于与纸面平行的同一平面内；(3)两个分力F1、F2间的夹角不要太大或太小。3．作图(1)在同一次实验中，选定的比例要相同；(2)严格按力的图示要求和作图法作出F1、F2及F之间满足的关系，求出合力。考点一实验原理与操作[典例1]某同学做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳。图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．用图钉把橡皮筋的一端固定在板上的A点，在橡皮筋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，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸长，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，通过细绳套拉橡皮筋使其伸长，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)实验中F是由平行四边形定则得出的，而F′是用一只弹簧测力计作用时，把橡皮筋的结点拉到同一位置O的力，故F′必沿OA方向。由于实验过程不可避免的存在误差，因此理论值和实验值存在一定的偏差。(2)本实验中采用了两个力的合力与一个力效果相同来验证平行四边形定则，即采用了等效替代法。(3)力的合成遵循平行四边形定则，力的图示法要表示出力的大小、方向和作用点，因此要表示出分力，必须先测量出其大小和方向，故步骤C中遗漏了方向；合力与分力是一种等效替代的关系，替代的前提是等效，实验中合力与分力一定使橡皮筋产生相同的形变效果，故步骤E中遗漏了使结点到达同样的位置。[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“把橡皮筋的结点拉到同一位置O”[关键点拨](1)每次实验须保证结点位置保持不变，是为了使合力的作用效果与两个分力共同作用的效果相同，这是物理学中等效替换的思想方法。(2)由于力是矢量，不仅有大小，还有方向，实验中必须记录“两条细绳的方向”，比较时既要比较大小又要比较方向。[对点训练]1.在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮筋的一端固定在板上一点，两个细绳套系在橡皮筋的另一端。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，使橡皮筋伸长，结点到达纸面上某一位置，如图所示。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，通过细绳套把橡皮筋的结点仍拉到位置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用铅笔沿绳的方向描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线。⑥F与F3作比较，即比较用平行四边形定则作出的合力和产生相同效果的实际的力是否相同，即可探究两个互成角度的力的合成规律的正确性。答案：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⑥F与F3考点二数据处理和误差分析[典例2]某探究小组做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验，将画有坐标轴(横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示1mm)的纸贴在水平桌面上，如图甲所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外)，另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长。(1)用一只弹簧测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O，此时拉力F的大小可由弹簧测力计读出。弹簧测力计的示数如图乙所示，F的大小为________N。(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A点，现使用两个弹簧测力计同时拉橡皮筋，再次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图甲中两条虚线所示的方向，由弹簧测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2N和F2＝5.6N。(ⅱ)F合的大小为________N，F合与拉力F的夹角的正切值为________。若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则。(ⅰ)用5mm长度的线段表示1N的力，以O点为作用点，在图甲中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力F合；[解析](1)由题给弹簧测力计示数可知，读数为4.0N。(2)作图，F2长度为28mm，F1长度为21mm，平行四边形如图，量出合力长度约为20mm，大小代表4.0N，量出合力箭头处到y轴距离和所作合力在y轴上投影长度，其比值就是F合与拉力F的夹角的正切值。[答案](1)4.0(2)(ⅰ)如解析图所示(ⅱ)4.00.05[关键点拨](1)弹簧测力计读数时要依据最小刻度确定估读位数，最终的读数要以有效数字的形式给出。(2)力的合成遵循平行四边形定则，作图时用刻度尺借助于三角板规范作图。[对点训练]2．在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中某同学的实验情况如图所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳。每根细绳分别连着一个量程为5N、最小刻度为0.1N的弹簧测力计。沿着两个不同的方向拉弹簧测力计。当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图所示。这时弹簧测力计的读数可从图中读出。(1)[多选]本实验中，采取下列哪些方法和步骤可以减小实验误差()A．两个分力F1、F2间的夹角越大越好B．拉橡皮筋的细绳要稍长一些C．实验中，弹簧测力计必须与木板平行D．读数时视线要正对弹簧测力计刻度(2)由图可读得水平和竖直拉力的大小分别为______N和________N。(3)在下列虚线方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。解析：(1)本实验中两弹簧测力计所拉绳间的夹角一般在60°到120°之间较合适，A错误；为了减小误差，便于确定两拉力的方向，拉橡皮筋的细绳要稍长一些，且必须使橡皮筋、细绳、弹簧测力计都与木板平行，细绳要与弹簧测力计轴线在同一直线上，读数时视线要正对弹簧测力计刻度，B、C、D正确。(2)由题图可以看出水平弹簧测力计的读数是3.50N，竖直弹簧测力计的读数是2.50N。(3)在方格纸上画这两个力及它们的合力时要使线段长短表示力的大小，标度应统一，如图所示。答案：(1)BCD(2)3.502.50(3)见解析图考点三创新实验设计[典例3]某同学利用如图所示的装置来验证力的平行四边形定则：在竖直木板上固定白纸，三根细线打一个结点O，其中两根绕过定滑轮A和B，三根细线挂上钩码，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数可知三根细线的拉力TOA、TOB、TOC，回答下列问题：(1)[多选]改变钩码个数，实验能完成的是________。A．钩码的个数N1＝N2＝1，N3＝2B．钩码的个数N1＝N3＝3，N2＝5C．钩码的个数N1＝N2＝N3＝4D．钩码的个数N1＝3，N2＝4，N3＝5(2)在实验过程中，下面步骤正确且必要的是______。A．量出OA、OB、OC三段细线的长度B．用量角器量出三段细线之间的夹角C．结点O的位置不能变D．标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段细线的方向(3)在作图时，你认为________图是正确的(填“甲”或“乙”)。[解析](1)因为三个力平衡的条件是：任意两力之和大于等于第三力，任意两力之差小于等于第三力，所以此题中的四个选项都能平衡，但是由于实验装置中的三个力不能共线，故选项A不能完成实验。(2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是：标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段细线的方向，以便画出平行四边形。(3)由题图可知TOC应该在竖直方向，所以乙图正确。[答案](1)BCD(2)D(3)乙[关键点拨](1)解答实验创新设计的题目的关键是要领会实验原理，把课本上相关实验的处理方法迁移过来使用。(2)本实验属于实验器材创新，用钩码的重力代替弹簧拉力。[对点训练]3．图甲为“探究求合力的方法”的实验装置。(1)[多选]下列说法中正确的是________。A．在测量同一组数据F1、F2和合力F的过程中，橡皮筋结点O的位置不能变化B．弹簧测力计拉细线时，拉力方向必须竖直向下C．F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程D．为减小测量误差，F1、F2方向间夹角应为90°(2)弹簧测力计的指针如图乙所示，由图可知拉力的大小为________N。解析：(1)在同一组数据中，只有当橡皮筋结点O的位置不发生变化时，两个力的作用效果和一个力的作用效果才相同，才可以验证平行四边形定则，故A正确；弹簧测力计拉细线时，方向不一定向下，只要把O点拉到同一位置即可，故B错误；根据弹簧测力计的使用原则可知，在测力时不能超过弹簧测力计的量程，故C正确；F1、F2方向间夹角为90°，并不能减小误差，故D错误。(2)由题图乙可知弹簧测力计的精确度为0.1N，所以由弹簧测力计的指针指示，拉力F的大小为4.00N(要估