【物理】2019届一轮复习人教版 实验三 验证力的平行四边形定则 学案

【物理】2019届一轮复习人教版 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 考纲要求 考情分析 命题趋势 研究力的平行四边形定则 ‎2017·全国卷Ⅲ，22‎ 对本实验的考查主要侧重于基本实验步骤细节的落实、实验误差的分析、等效法的理解等，当然本实验也可以通过其他形式的设计来实现，遇到这种情况要注意创新设计的实验与基本实验的区别和联系 知识梳理·夯实基础 一、实验流程 二、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．减小误差的方法 ‎(1)结点O ‎①定位O点时要力求准确．‎ ‎②同一次实验中橡皮条拉长后的O点必须保持不变．‎ ‎(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应尽量使橡皮条、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θ不要太大或太小．‎ ‎(3)作图 ‎①在同一次实验中，选定的标度要相同．‎ ‎②严格按力的图示要求和几何作图法作出平行四边形，求出合力．‎ 三、注意事项 操作不忘“三”“二”“一”‎ 用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置)，用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)等．‎ 四、实验改进 本实验用一个弹簧测力计也可以完成实验，具体操作如下：‎ ‎1．把两条细绳中的一条细绳与弹簧测力计连接，另一条细绳用手直接抓住，然后同时拉这两条细绳，使结点至O点，记下两条细绳的方向和弹簧测力计的示数F1.‎ ‎2．放回橡皮条后，将弹簧测力计连接到另一细绳上，然后同时拉这两条细绳，使结点至O点，并使两条细绳位于记录下来的方向上，读出弹簧测力计的示数F2.‎ 其他步骤与提供两个弹簧测力计相同．‎ 这种操作的优点是能减小因两个弹簧测力计的不同而带来的误差，但实验过程麻烦．‎ 核心考点·分层突破 考点1　实验原理与操作 ‎[例1](2018·江西南昌模拟)某同学用钩码和弹簧测力计做“验证力的平行四边形定则”实验．‎ ‎(1)请将实验内容补充完整：‎ A．将一根橡皮筋的一端固定在贴有白纸的竖直平整木板上，在另一端绑上两根系有细绳套的细线．‎ B．其中一根细线挂上5个质量相等的钩码(每个钩码质量均为‎50 g)，使橡皮筋拉伸，如图甲所示，记录__钩码的个数(细线上的拉力)__、结点的位置O和细线方向．‎ C．将图甲中钩码取下一个，并将细线用一光滑铁钉B(可随时固定)支开，在另一细线上挂上弹簧测力计，使两细线成一定角度，拉弹簧测力计，如图乙所示，图中α、β可测定，当＝时，橡皮筋正好位于竖直方向且橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合，此时弹簧测力计的示数应为__1.5__N.(当地重力加速度g＝‎10 m/s2)‎ ‎(2)本实验采用的科学方法是__B__.‎ 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 解析　(1)由实验原理可知本实验利用等效替代法来验证“力的平行四边形定则”，图甲中钩码的重力即合力大小，细线方向即合力方向，所以应记录钩码的个数(细线上的拉力)、结点O的位置和细线方向，在用钩码和弹簧测力计一起拉橡皮筋时，一定要将橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合，此时应记录钩码个数、弹簧测力计示数及对应的细线方向，分析图乙中结点的受力情况可得水平方向有4mgcos α＝Fcos β，代入数据得弹簧测力计的示数应为F＝3mg＝1.5 N.‎ ‎(2)由(1)知是等效替代法．‎ 考点2　实验数据处理 ‎[例2](2017·全国卷Ⅲ)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴(横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示‎1 mm)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__4.0__N.‎ ‎(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A点；现使用两个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，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2 N和 F2＝5.6 N.‎ ‎①用‎5 mm长度的线段表示1 N的力，以O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；‎ ‎②F合的大小为__4.0__N，F合与拉力F的夹角的正切值为__0.05__.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．‎ 解析　(1)弹簧测力计的分度值为0.2 N，F的大小为4.0 N.‎ ‎(2)①图见答案．分别以F1、F2为邻边作平行四边形，并作出对角线，即得F合．②表示F合的线段的长度为‎20.0 mm，F合＝×1 N＝4.0 N．F合与拉力F的夹角的正切值为tan θ≈＝0.05.‎ 答案　(2)①F1、F2和F合如图所示 考点3　实验创新方案 ‎1．将水平面内改为在竖直平面内做实验，拉橡皮筋改为悬挂重物，可避免橡皮筋弹性变化带来的误差．‎ ‎2．弹簧测力计用力传感器取代，可避免摩擦的影响，使读数更方便、精确．‎ ‎[例3](2018·安徽合肥模拟)一同学用电子秤、水壶、细线、墙钉和贴在墙上的白纸等物品，在家中验证力的平行四边形定则．‎ ‎(1)如图甲，在电子秤的下端悬挂一装满水的水壶，记下水壶__静止__时电子秤的示数F.‎ ‎(2)如图乙，将三细线L1、L2、L3的一端打结，另一端分别拴在电子秤的挂钩、墙钉A和水壶杯带上．水平拉开细线L1，在白纸上记下结点O的位置、__三细线的方向__和电子秤的示数F1.‎ ‎(3)如图丙，将另一颗墙钉B钉在与O同一水平位置上，并将L1拴在其上．手握电子秤沿着(2)中L2的方向拉开细线L2，使__结点O的位置__和三根细线的方向与(2)中重合，记录电子秤的示数F2.‎ ‎(4)在白纸上按一定标度作出电子秤拉力F、F1、F2的图示，根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F′的图示，若__F和F′在误差允许的范围内重合__，则平行四边形定则得到验证．‎ 解析　(1)要测量装满水的水壶的重力，则记下水壶静止时电子秤的示数F.‎ ‎(2)要画出平行四边形，则需要记录分力的大小和方向，所以在白纸上记下结点O的位置的同时也要记录三细线的方向以及电子秤的示数F1.‎ ‎(3)已经记录了一个分力的大小，还要记录另一个分力的大小，则结点O的位置不能变化，力的方向也都不能变化，所以应使结点O的位置和三根细线的方向与(2)中重合，记录电子秤的示数F2.‎ ‎(4)根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F′的图示，若F和F′在误差允许的范围内重合，则平行四边形定则得到验证．‎ 对应演练·迁移运用 ‎1．(2017·上海黄浦模拟)根据要求，完成“验证力的平行四边形定则”实验．‎ ‎(1)如图甲所示，把白纸固定在木板上后，再把木板竖立在桌面上，用图钉把橡皮筋的一端固定在A点，另一端B连接两条轻绳，跨过定滑轮后各拴一细绳套，分别挂上3个钩码和4个钩码(每个钩码重1 N)，调整滑轮的位置，稳定后结点B位于O处，记下__O的位置__和两条细绳的方向，取下滑轮及钩码．‎ ‎(2)如图乙所示，取某单位长度表示1 N，用力的图示作出两条细绳的拉力F1和F2；再用一个弹簧测力计把结点B也拉至O处，记下弹簧测力计的读数F′＝__5.0__N，取下弹簧测力计．‎ ‎(3)在图丙中作出F1和F2的合力F及拉力F′的图示．‎ ‎(4)对比F和F′的大小和方向，发现它们不是完全一致的，其可能的原因是__见解析__.(填一个原因)‎ 解析　(1)本实验中应记录结点O的位置．‎ ‎(2)读数为5.0 N.‎ ‎(3)力的图示如图所示．‎ ‎(4)产生误差的原因有测量存在误差、作图没有画准、滑轮与绳之间的摩擦力等．‎ ‎2．(2018·山西太原模拟)在“验证力的平行四边形定则”的实验中，需要将橡皮筋的一 端固定在水平木板上，另一端系上两根细绳，O为橡皮筋与细绳的结点．‎ ‎(1)实验过程中，除记录弹簧测力计的读数和O点位置，还必须记录__两根细绳的方向__.在坐标纸上画出了如图所示的两分力F1和F2，图中小正方形边长表示1 N，则两力的合力F＝__6__N.‎ ‎(2)为减小实验误差，下列措施正确的是__BD__.‎ A．两条细绳的夹角必须很大 B．弹簧测力计、细绳、橡皮筋都应与木板平面平行 C．拉橡皮筋的细绳要稍长一些，标记同一条细绳的方向时两标记点要适当近一些 D．应尽量避免弹簧测力计与木板间的摩擦 解析　(1)关于实验操作步骤：除记录弹簧测力计的读数和O点位置，还必须记录两根细绳的方向，作出平行四边形，然后量取对角线的长度，即得F＝6 N.‎ ‎(2)实验中，为减小实验误差，两条细绳的夹角稍大便于作平行四边形，但不一定“必须很大”，故选项A错误；弹簧测力计、细绳、橡皮筋都应与木板平面平行，故选项B正确；拉橡皮筋的细绳要稍长一些，标记同一条细绳的方向时两标记点要适当远一些，这样画出的拉力方向较为准确，故选项C错误；应尽量避免弹簧测力计与木板间的摩擦，这样测出的拉力较准确，故选项D正确．‎ ‎3．(2018·吉林长春模拟)某同学用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”．弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置．分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向．‎ ‎(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为__3.6__N.‎ ‎(2)下列不必要的实验要求是__D__.‎ A．应测量重物M所受的重力 B．弹簧测力计应在使用前校零 C．拉线方向应与木板平面平行 D．改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置 ‎(3)某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法：①__改变弹簧测力计B拉力的大小或方向__；②__减小重物M的质量(或将A更换成较 大量程的弹簧测力计)__.‎ 解析　(1)弹簧测力计的最小刻度为0.2 N，所以A的读数为3.6 N.‎ ‎(2)根据三力平衡的特点可知，弹簧测力计A、B的拉力的合力与重物M的重力等值反向，故A项是必要的；弹簧测力计的零点误差影响各拉力的测量值，所以使用前需校零，B项是必要的；只有拉线方向与木板平面平行，才能保证所研究的各力在同一平面内，C项也是必要的；实验中只需测出两拉力的大小和方向以及重物的重力即可验证平行四边形定则，而当测力计A的拉力不同时，O点的位置就不同，故没必要使O点静止在同一位置，答案为选项D．‎ ‎(3)弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，说明拉弹簧测力计A的力大了，可行的解决方法有：‎ ‎①改变弹簧测力计B拉力的大小或方向；‎ ‎②减小重物M的质量(或将A更换成较大量程的弹簧测力计)．‎ ‎4．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如图甲所示，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：‎ 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＝2.50N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，如图乙所示．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)利用表中数据在图丙中画出F－l图线，根据图线求得l0＝__10.0(9.8、9.9、10.1均正确)__cm.‎ ‎(2)测得OA＝‎6.00 cm，OB＝‎7.60 cm，则FOA的大小为__1.80(1.70～1.90均正确)__N.‎ ‎(3)在图丁中根据给出的标度，作出FOA和FOB的合力F′的图示．‎ ‎(4)通过比较F′与__FOO′__的大小和方向，即可得出实验结论．‎ 解析　(1)由胡克定律知，橡皮筋的弹力与橡皮筋长度间的关系为F＝k(l－l0)．当F＝0时，l＝l0，所以图线与横轴的交点坐标表示橡皮筋的原长；(2)可知橡皮筋的长度l＝OA＋OB＝‎13.60 cm，由图线可读得弹力FOA＝1.80 N；(4)F′为理论值，FOO′为实际值．‎ 答案　(1)如图甲所示　(3)如图乙所示 ‎　‎