【物理】2019届二轮复习实验：验证力的平行四边形定则学案（全国通用）

【物理】2019届二轮复习实验：验证力的平行四边形定则学案（全国通用）

‎1．实验目的 ‎（1）验证两个力合成时的平行四边形定则。‎ ‎（2）通过验证力的平行四边形定则，培养学生用图象法处理实验数据并得出结论能力。‎ ‎2．实验原理 等效思想：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的共同作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以力F′就是这两个力F1和F2的合力。作出力F′的图示，与根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示比较，在实验误差允许的范围内，F′和F大小相等、方向相同。即可验证平行四边形定则。‎ ‎3．实验器材 方木板、白纸、弹簧测力计（两个）、橡皮条、细绳套（两个）、三角板、刻度尺、图钉（若干）、铅笔。‎ ‎4．实验过程 ‎（1）钉白纸：用图钉把白纸固定在水平桌面上的方木板上。‎ ‎（2）拴绳套：用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套。学 ]‎ ‎（3）两个力拉：‎ ‎①通过细绳用两个弹簧秤互成角度拉橡皮条，橡皮条伸长，使结点伸长到O点（如下图所示）。‎ ‎②用铅笔记下O点的位置，画下两条细绳的方向，并记下两个测力计的读数。‎ ‎（4）一个力拉：‎ ‎①只用一个测力计，通过细绳把橡皮条上的结点拉到同样位置O。‎ ‎②记下测力计的读数和细绳的方向。‎ ‎（5）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。‎ ‎（6）重复：改变F1和F2的夹角和大小，再做两次。‎ ‎5．数据处理 ‎（1）理论值：在白纸上用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线，按选定的标度作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺、三角板作平行四边形，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。‎ ‎（2）测量值：用刻度尺从O点按同样标度沿记录的方向作出一个弹簧测力计拉橡皮条时的拉力F′的图示。‎ ‎（3）相比较：比较F′与用平行四边形定则求得的合力F在实验误差允许的范围内是否相等。‎ ‎6．误差分析：除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等。 学 ‎ ‎（1）读数误差：‎ 减小读数误差的方法——弹簧测力计数据在条件允许的情况下，尽量大一些。需要多做几次实验，并且使两分力F1、F2的夹角适当大些。读数时眼睛一定要平视，要按有效数字的读数规则正确地读数和记录。‎ ‎（2）作图误差：‎ 减小作图误差的方法——作图时两力的对边一定要平行，两个分力F1、F2间的夹角越大，用平行四边形作出的合力F的误差ΔF就越大，所以实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大。‎ ‎7．操作技巧及注意事项 ‎（1）正确使用弹簧测力计 ‎①弹簧测力计的选取方法：将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉，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弹簧测力计不能在超出它的测量范围的情况下使用。‎ ‎③使用前要检查指针是否在零刻度线上，否则应校正零位。‎ ‎④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。⑤读数时应正对、平视刻度。‎ ‎⑥拉橡皮条的细线要长些，标记每条细线方向的方法是使视线通过细线垂直于纸面，在细线下面的纸上用铅笔点出两个定点的位置，并使这两个点的距离要尽量远些。‎ ‎⑦作图要用尖铅笔，图的比例要尽量大些，要用严格的几何方法作出平行四边形，图旁要画出表示力的比例线段，且注明每个力的大小和方向。‎ ‎（2）注意事项 ‎①位置不变：在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。‎ ‎②角度合适：用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60° 100°之间为宜。‎ ‎③尽量减少误差 A、在合力不超出量程及在橡皮条弹性限度内，形变应尽量大一些。 ]‎ B、细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。‎ ‎④统一标度：在同一次实验中，画力的图示选定的标度要相同，并且要恰当选定标度，使力的图示稍大一些。‎ 题型一、实验原理与操作 ‎【题1】某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳的结点，OB与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 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F1和F2；‎ D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F；‎ E．只用一个弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数F′，记下细绳的方向，按同一标度作出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 。‎ ‎【答案】（1）F′（2）B（3）①C、E ②见解析 ‎（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，B正确。‎ ‎（3）①根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作步骤可知，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。‎ ‎【注意提醒】验证力的平行四边形定则实验应注意的两点:‎ ‎（1）在用两个弹簧测力计互成角度的拉橡皮条时，除记下O点的位置外，还要记下两条细绳的方向。‎ ‎（2）在只用一只弹簧测力计拉橡皮条时，一定要把橡皮条的结点拉到同一位置O再读数。‎ ‎【题2】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32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。‎ ‎【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 ‎【题3】某同学进行“验证力的平行四边形定则”实验，试完成主要步骤：‎ ‎（1）如图甲，用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，记下结点的位置O点、两弹簧测力计的读数F1、F2以及 。‎ ‎ ‎ ‎（2）用一只弹簧测力计钩住细绳套把橡皮条与细绳套的结点拉到 ，记下细绳套的方向（如图丙中的Oc）。测力计示数如图乙所示，读得弹簧测力计的示数F＝ 。‎ ‎（3）如图丙所示，按选定的标度作出了力的图示，请在图丙中：‎ a．按同样的标度作出力F的图示 ‎ b．按力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F′‎ ‎（4）关于该实验注意事项，下列说法中正确的是 。‎ A．实验中所用的两根细绳越短越好 ‎ B．弹簧测力计的拉力方向必须与木板平行 C．每次实验中两个分力间的夹角必须大于90°‎ ‎【答案】（1）两细绳套的方向　（2）同一位置O　4.00 N　（3）见解析图　（4）B ‎（3）a．按力的图示方法作出力F的图示如图所示；b．根据力的平行四边形定则，作出F1、F2的合力F′，如图所示。‎ ‎（4）拉橡皮条的细绳要适当长一些，以方便画出力的方向，故A错误；测量力的实验要求尽量准确，为了减小实验中因摩擦造成的误差，操作中要求弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行，故B正确；在实验中两个分力的夹角大小适当，且二力的大小要适量大些，这样有利于减小实验中偶然误差的影响，不需要夹角必须大于90°，故C错误。学 ‎ 题型二、数据处理与误差分析 ‎1．数据处理——作图法 在“验证力的平行四边形定则”的实验中，由作图法得到的合力F与实际测量得到的合力F′不可能完全重合，只要在误差范围内可以认为合力F与合力F′重合即可验证平行四边形定则。‎ ‎2．误差分析 ‎（1）用弹簧测力计测量力的大小时，应注意以下几种影响误差的因素：①使用前是否在水平面内校零。②细绳不与木板接触，但要通过弹簧的轴线，而且弹簧不要与外壳接触，所以细绳套要长一些，以便将弹簧测力计拉到木板边缘以外，同时，用手托着测力计向外拉绳。‎ ‎（2）为使读数的相对误差减小，拉力要适当地大一些，但要兼顾合力不要过大。合力过大，一会超出橡皮条的弹性限度，二会超出弹簧测力计的测量范围。‎ ‎（3）在橡皮条伸长相同的情况下，为使两个测力计有较大的读数，两测力计的夹角不宜过小，但也不宜过大。一般情况下，应在60° 120°之间。‎ ‎（4）记录细绳套方向时，视线要与板面垂直。‎ ‎【题4】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（a）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的大小可由测力计读出。测力计的示数如图（b）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（a）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（a）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 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。‎ ‎【答案】（1）4.0　（2）①见解析图 　②4.0　0.05‎ ‎【题5】将橡皮筋的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N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，如图甲。这时弹簧测力计的读数可从图中读出。‎ ‎（1）由图甲可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为 N和 N。‎ ‎（2）在如图乙所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。‎ ‎（3）图丙中a、b两图是两位同学得到的实验结果，其中哪一个图符合实际？若合力测量值F′是准确的，则F与F′有误差的原因可能有哪些？‎ ‎【答案】（1）2.50 N和4.00 N（2）见解析（3）见解析 ‎（3）F′是用一个测力计拉橡皮筋所得到的，其方向一定在橡皮筋所在直线上，所以b图符合实际。产生误差的原因主要是弹簧测力计读数偏差，确定分力方向不够准确等。学 ‎ 题型三　实验拓展与创新 ‎1．对实验原理的理解、实验方法的迁移 ‎2．实验器材的改进 ‎（1）橡皮筋弹簧测力计 ‎（2）钩码弹簧测力计 ‎ ‎ ‎【题6】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（a），在电子秤的下端悬挂一装满水的水壶，记下水壶 时电子秤的示数F；‎ ‎（2）如图（b），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、 和电子秤的示数F1；‎ ‎（3）如图（c），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 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 ，则平行四边形定则得到验证。‎ ‎【答案】（1）静止　（2）三细线的方向　（3）结点O的位置 （4）F和F′在误差范围内重合 ‎ ‎ ‎（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点位置不能变化，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′在误差范围内重合，则平行四边形定则得到验证。 . ‎ ‎【题7】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）改变钩码个数，实验能完成的是 。‎ A．钩码的个数N1＝N2＝2，N3＝4 ‎ B．钩码的个数N1＝N3＝3，N2＝4‎ C．钩码的个数N1＝N2＝N3＝4 ‎ D．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 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 是正确的。（填“甲”或“乙”）‎ ‎【答案】（1）BCD　（2）A　（3）甲 ‎（2）为验证平行四边形定则，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，因此要标记结点O的位置，并记录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的是实际作用效果在OC这条线上，由于误差的存在，F1、F2的理论值要与实际值有一定偏差，故甲图符合实际，乙图不符合实际。‎