物理第二章 相互作用 實驗3 驗證力的平行四邊形定則 新人教版

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1、實驗3驗證力的平行四邊形定則-2-一、實驗?zāi)康尿炞C力的平行四邊形定則。二、實驗原理互成角度的兩個力F1、F2與另外一個力F產(chǎn)生相同的效果,看F1、F2用平行四邊形定則求出的合力F與F在實驗誤差允許范圍內(nèi)是否相同。三、實驗器材木板、白紙、彈簧測力計(兩只)、橡皮條、細(xì)繩套(兩個)、三角板、刻度尺、圖釘(幾個)。-3-四、實驗步驟1.用圖釘把白紙釘在水平桌面上的木板上。2.用圖釘把橡皮條的一端固定在木板上的A點,橡皮條的另一端拴上兩個細(xì)繩套。3.用兩只彈簧測力計a、b分別鉤住細(xì)繩套,互成角度地拉橡皮條,使橡皮條與繩的結(jié)點伸長到某一位置O,如圖所示。記錄兩彈簧測力計的讀數(shù),用鉛筆描下O點的位置及此時

2、兩細(xì)繩的方向。4.只用一只彈簧測力計c通過細(xì)繩套把橡皮條的結(jié)點拉到同樣的位置O,記下彈簧測力計的讀數(shù)和細(xì)繩套的方向。5.改變兩彈簧測力計拉力的大小和方向,再重做實驗兩次。-4-五、數(shù)據(jù)處理1.用鉛筆和刻度尺從結(jié)點O沿兩條細(xì)繩方向畫直線,按選定的標(biāo)度作出a、b這兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示,并以F1和F2為鄰邊作平行四邊形,過O點畫平行四邊形的對角線,此對角線即為合力F的圖示。2.用刻度尺從O點按同樣的標(biāo)度沿記錄的方向作出實驗步驟4中彈簧測力計c的拉力F的圖示。3.比較F與F是否完全重合或幾乎重合,從而驗證平行四邊形定則。-5-六、誤差分析1.系統(tǒng)誤差:彈簧測力計本身不夠準(zhǔn)確造成的誤差,

3、為此要選擇比較準(zhǔn)確的彈簧測力計。2.偶然誤差:彈簧測力計讀數(shù)和作圖造成偶然誤差,需要多做幾次實驗,并且使兩分力F1、F2的夾角適當(dāng)大些。3.減小誤差的辦法:(1)實驗過程中讀數(shù)時視線要垂直彈簧測力計的刻度,要按有效數(shù)字和彈簧測力計的精度正確讀數(shù)和記錄。(2)作圖時用刻度尺借助于三角板,使表示兩力的對邊一定要平行。-6-七、注意事項1.使用彈簧測力計前,要先調(diào)整指針使其指在零刻度處;再將兩只彈簧測力計的掛鉤鉤在一起,向相反方向拉,如果兩個示數(shù)相同方可使用。2.實驗中的兩個細(xì)繩套不要太短。3.在同一次實驗中,橡皮條拉長時結(jié)點到達(dá)的位置一定要相同。4.用兩只彈簧測力計互成角度地拉橡皮條時,夾角不宜太

4、大也不宜太小。5.在用力拉彈簧測力計時,拉力應(yīng)沿彈簧測力計的軸線方向。彈簧測力計中彈簧軸線、橡皮條、細(xì)繩套應(yīng)該位于與紙面平行的同一平面內(nèi)。6.畫力的圖示選定的標(biāo)度要相同,要恰當(dāng)選定標(biāo)度,使力的圖示稍大一些。-7-命題點一命題點二命題點三實驗原理與操作實驗原理與操作例1(2017江蘇啟東月考)某同學(xué)做驗證力的平行四邊形定則的實驗,如圖甲所示,A為固定橡皮條的圖釘,O為橡皮條與細(xì)繩的結(jié)點,OB和OC為細(xì)繩。圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結(jié)果畫出的圖。-8-命題點一命題點二命題點三(1)如果沒有操作失誤,圖乙中的F與F兩力中,方向一定沿AO方向的是。(2)本實驗采用的科學(xué)方法是。A.理想實驗法B.等效替代法

5、C.控制變量法D.建立物理模型法(3)實驗時,主要的步驟:A.在桌上放一塊木板,在木板上鋪一張白紙,用圖釘把白紙釘在木板上;B.用圖釘把橡皮條的一端固定在板上的A點,在橡皮條的另一端拴上兩條細(xì)繩,細(xì)繩的另一端系著繩套;C.用兩只彈簧測力計分別鉤住繩套,互成角度地拉橡皮條,使橡皮條伸長,結(jié)點到達(dá)某一位置O,記錄下O點的位置,讀出兩只彈簧測力計的示數(shù);-9-命題點一命題點二命題點三D.按選好的標(biāo)度,用鉛筆和刻度尺作出兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示,并用平行四邊形定則求出合力F;E.只用一只彈簧測力計,通過細(xì)繩套拉橡皮條使其伸長,讀出彈簧測力計的示數(shù),記下細(xì)繩的方向,按同一標(biāo)度作出這個力F的圖

6、示;F.比較F和F的大小和方向,看它們是否相同,得出結(jié)論。上述步驟中,有重要遺漏的步驟的序號是和;遺漏的內(nèi)容分別是和。-10-命題點一命題點二命題點三答案:(1)F(2)B(3)CEC中應(yīng)加上“記下兩條細(xì)繩的方向”E中應(yīng)說明“把橡皮條的結(jié)點拉到同一位置O”解析:(1)由一只彈簧測力計拉橡皮條至O點的拉力一定沿AO方向;兩只彈簧測力計拉橡皮條至O點的拉力,根據(jù)平行四邊形定則作出兩彈簧測力計拉力的合力,由于誤差的存在,不一定沿AO方向,故一定沿AO方向的是F。(2)一個力的作用效果與兩個力的作用效果相同,它們的作用效果可以等效替代,故B正確。(3)有重要遺漏的步驟的序號是C、E。在C中未記下兩條細(xì)

7、繩的方向,E中未說明是否把橡皮條的結(jié)點拉到同一位置O。-11-命題點一命題點二命題點三操作不忘“三”“二”“一”用兩個彈簧測力計拉橡皮條時的“三記錄”(記錄兩彈簧測力計示數(shù)、兩細(xì)繩方向和結(jié)點O的位置),用一個彈簧測力計拉橡皮條時的“二記錄”(記錄彈簧測力計示數(shù)和細(xì)繩方向)及“一注意”(結(jié)點O的位置必須在同一位置)等。-12-命題點一命題點二命題點三數(shù)據(jù)處理與誤差分析數(shù)據(jù)處理與誤差分析例2(2017全國卷)某探究小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗,將畫有坐標(biāo)軸(橫軸為x軸,縱軸為y軸,最小刻度表示1mm)的紙貼在水平桌面上,如圖(a)所示。將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(位于圖示部分之外)

8、,另一端P位于y軸上的A點時,橡皮筋處于原長。(1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標(biāo)原點O,此時拉力F的大小可由測力計讀出。測力計的示數(shù)如圖(b)所示,F的大小為 N。(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A點;現(xiàn)使用兩個測力計同時拉橡皮筋,再次將P端拉至O點。此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向,由測力計的示數(shù)讀出兩個拉力的大小分別為F1=4.2N和F2=5.6N。-13-命題點一命題點二命題點三()用5mm長度的線段表示1N的力,以O(shè)為作用點,在圖(a)中畫出力F1、F2的圖示,然后按平行四邊形定則畫出它們的合力F合;圖(a)圖(b)-14-命題點一命題點二

9、命題點三()F合的大小為 N,F合與拉力F的夾角的正切值為。若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內(nèi),則該實驗驗證了力的平行四邊形定則。答案:(1)4.0(2)()F1、F2和F合如圖所示()3.80.05-15-命題點一命題點二命題點三解析:(1)題圖(b)中彈簧測力計的精度為0.2N,則示數(shù)為4.0N;(2)用5mm長的線段表示1N的力,F2對應(yīng)的長度為2.8cm,F1對應(yīng)的長度為2.1cm,根據(jù)平行四邊形定則作出的圖形如答案圖所示;測出F合的長度為1.9cm,則F合的大小為3.8N,如圖F合、F及F構(gòu)成的三角形,F的長度約0.1cm,此三角形可近似看作直角三角形,則F

10、合與拉力F的夾角的正切值tan= =0.05。思維點撥驗證力的平行四邊形定則中的作圖法要注意標(biāo)明:力的標(biāo)度、刻度、方向箭頭、大小和物理量名稱。-16-命題點一命題點二命題點三實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新本實驗一般是在教材實驗原理的基礎(chǔ)上,以實驗中操作的注意事項、誤差來源設(shè)置條件,或通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目。因此要在教材實驗的基礎(chǔ)上注重器材變化后對分力和合力的分析判斷能力的培養(yǎng),要善于用教材中實驗的原理、方法和技巧處理新問題。-17-命題點一命題點二命題點三1.實驗器材的變化如圖 -18-命題點一命題點二命題點三2.分力和合力的變化(1)分力的獲得:彈簧測力計的拉力鉤碼的重力。(2

11、)合力的獲得:彈簧測力計的拉力重物的重力鉤碼的重力。-19-命題點一命題點二命題點三例3某同學(xué)在家中用三根相同的橡皮筋(遵循胡克定律)來探究合力的方法,如圖所示,三根橡皮筋在O點相互連接,拉長后三個端點用圖釘固定在A、B、C三點。在實驗中,可以通過刻度尺測量橡皮筋的長度來得到橡皮筋的拉力大小,并通過OA、OB、OC的方向確定三個拉力的方向,從而探究其中任意兩個拉力的合力的方法。在實驗過程中,下列說法正確的是()A.只需要測量橡皮筋的長度,不需要測出橡皮筋的原長B.為減小誤差,應(yīng)選擇勁度系數(shù)盡量大的橡皮筋C.以O(shè)B、OC為兩鄰邊作平行四邊形,其對角線必與OA在一條直線上且長度與OA相等D.多次實

12、驗中即使O點不固定,也可以探究求合力的方法 答案解析解析關(guān)閉 答案解析關(guān)閉-20-命題點一命題點二命題點三思維點撥 -21-命題點一命題點二命題點三例4一同學(xué)用電子秤、水壺、細(xì)線、墻釘和貼在墻上的白紙等物品,在家中驗證力的平行四邊形定則。-22-命題點一命題點二命題點三(1)如圖(a),在電子秤的下端懸掛一裝滿水的水壺,記下水壺時電子秤的示數(shù)F;(2)如圖(b),將三細(xì)線L1、L2、L3的一端打結(jié),另一端分別拴在電子秤的掛鉤、墻釘A和水壺杯帶上。水平拉開細(xì)線L1,在白紙上記下結(jié)點O的位置、和電子秤的示數(shù)F1;(3)如圖(c),將另一顆墻釘B釘在與O同一水平位置上,并將L1拴在其上。手握電子秤沿

13、著(2)中L2的方向拉開細(xì)線L2,使和三根細(xì)線的方向與(2)中重合,記錄電子秤的示數(shù)F2;(4)在白紙上按一定標(biāo)度作出電子秤拉力F、F1、F2的圖示,根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F的圖示,若,則平行四邊形定則得到驗證。-23-命題點一命題點二命題點三答案:(1)靜止(2)三細(xì)線的方向(3)結(jié)點O的位置(4)F和F在誤差范圍內(nèi)重合解析:(1)要測量裝滿水的水壺的重力,則記下水壺靜止時電子秤的示數(shù)F;(2)要畫出平行四邊形,則需要記錄分力的大小和方向,所以在白紙上記下結(jié)點O的位置的同時也要記錄三細(xì)線的方向以及電子秤的示數(shù)F1;(3)已經(jīng)記錄了一個分力的大小,還要記錄另一個分力的大小,則結(jié)

14、點O點位置不能變化,力的方向也都不能變化,所以應(yīng)使結(jié)點O的位置和三根細(xì)線的方向與(2)中重合,記錄電子秤的示數(shù)F2;(4)根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F的圖示,若F和F在誤差范圍內(nèi)重合,則平行四邊形定則得到驗證。-24-命題點一命題點二命題點三思維點撥在分別測量F、F1、F2時,另外兩個力變化了嗎?與同時測量三個力等效嗎?-25-1.(2018山東棗莊質(zhì)檢)圖甲為“探究求合力的方法”的實驗裝置。(1)下列說法中正確的是。A.在測量同一組數(shù)據(jù)F1、F2和合力F的過程中,橡皮條結(jié)點O的位置不能變化B.彈簧測力計拉細(xì)線時,拉力方向必須豎直向下C.F1、F2和合力F的大小都不能超過彈簧測力計

15、的量程D.為減小測量誤差,F1、F2方向間夾角應(yīng)為90(2)彈簧測力計的指針如圖乙所示,由圖可知拉力的大小為 N。-26-答案:(1)AC(2)4.00解析:(1)在同一組數(shù)據(jù)中,只有當(dāng)橡皮條節(jié)點O的位置不發(fā)生變化時,兩個力的作用效果和一個力的作用效果才相同,才可以驗證平行四邊形定則,故A正確;彈簧測力計拉細(xì)線時,方向不一定向下,只有把O點拉到同一位置即可,故B錯誤;根據(jù)彈簧測力計的使用原則可知,在測力時不能超過彈簧測力計的量程,故C正確;F1、F2方向間夾角為90并不能減小誤差,故D錯誤。故選AC。(2)由題圖乙彈簧測力計的指針指示可知,拉力F的大小為4.00N。故答案為4.00。-27-2

16、.(2017河南模擬)某同學(xué)找到一條遵循胡克定律的橡皮筋并利用如下實驗器材驗證平行四邊形定則:刻度尺、三角板、鉛筆、細(xì)繩、白紙、釘子、質(zhì)量不同的小重物若干、木板。實驗方案如下:-28-將橡皮筋的兩端分別與兩條細(xì)繩相連,測出橡皮筋的原長;將橡皮筋一端細(xì)繩用釘子固定在豎直木板上的A點,在橡皮筋的中點O用細(xì)繩系住重物,使重物自然下垂,如圖甲所示;將橡皮筋的另一端細(xì)繩固定在豎直木板上的B點,如圖乙所示。(1)為完成本實驗,下列還必須測量的物理量為。(填選項前字母)A.小重物的質(zhì)量B.細(xì)繩的長度C.圖甲中OA段橡皮筋的長度D.圖乙中OA和OB段橡皮筋的長度-29-(2)在完成本實驗的過程中,必須注意的事

17、項是。(填選項前字母)A.橡皮筋兩端連接的細(xì)繩長度必須相同B.圖乙中A、B兩點必須等高C.圖乙中連接小重物細(xì)繩必須在OA、OB夾角的角平分線上D.記錄圖甲中O點的位置和OA的方向E.記錄圖乙中O點的位置和OA、OB的方向(3)若釘子位置固定,利用現(xiàn)有器材改變實驗效果,可采用的方法是。-30-答案:(1)CD(2)E(3)更換小重物解析:(1)橡皮筋遵循胡克定律,要測量拉力可以通過測量橡皮筋的長度和原長,得到橡皮筋的伸長量,根據(jù)拉力大小與伸長量成比例作力的圖示。為了使兩次實驗效果相同,必須記下O點的位置來作參照,故選C、D。(2)橡皮筋連接的細(xì)繩要稍微長些,并非要求等長,A錯誤;圖乙中A、B兩點

18、不用必須等高,B錯誤;圖乙中連接小重物的細(xì)繩可以在OA、OB夾角的角平分線上,也可以不在,C錯誤;圖甲中O點的位置和OA的方向不需要記錄,D錯誤;需要記錄圖乙中O點的位置和OA、OB的方向,E正確。(3)在釘子位置不變的情況下,要改變實驗效果,只有改變小重物的質(zhì)量。故可采用的方法是更換小重物。-31-3.(2017北京石景山一模)在驗證力的平行四邊形定則的實驗中,某同學(xué)進(jìn)行實驗的主要步驟:a.如圖甲所示,將橡皮筋的一端固定在木板上的A點,另一端拴上兩根繩套,每根繩套分別連著一個彈簧測力計。b.沿著兩個方向拉彈簧測力計,將橡皮筋的活動端拉到某一位置,將此位置標(biāo)記為O點,讀取此時彈簧測力計的示數(shù),

19、分別記錄兩個拉力F1、F2的大小。用筆在兩繩的拉力方向上分別標(biāo)記a、b兩點,并分別將其與O點連接,表示兩力的方向。c.再用一個彈簧測力計將橡皮筋的活動端仍拉至O點,記錄其拉力F的大小并用上述方法記錄其方向。-32-33-(1)實驗中確定分力方向時,圖甲中的b點標(biāo)記得不妥,其原因是。(2)用一個彈簧測力計將橡皮筋的活動端仍拉至O點,這樣做的目的是。(3)圖乙是在白紙上根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的力的圖示,其中是F1和F2合力的實際測量值。(4)實驗中的一次測量如圖丙所示,兩個測力計M、N的拉力方向互相垂直,即+=90。若保持測力計M的讀數(shù)不變,當(dāng)角由圖中所示的值逐漸減小時,要使橡皮筋的活動端仍在O點,可采

20、用的辦法是。A.增大N的讀數(shù),減小角B.減小N的讀數(shù),減小角C.減小N的讀數(shù),增大角D.增大N的讀數(shù),增大角-34-答案:(1)O、b兩點太近,誤差大(2)與F1、F2共同作用的效果相同(3)F(4)B解析:(1)為了減小測量的誤差,記錄方向時,記錄點與O點的距離適當(dāng)大一些,圖甲中的b點標(biāo)記的不妥,其原因是O、b兩點太近,誤差大。(2)用一個彈簧測力計將橡皮筋的活動端仍拉至O點,這樣做的目的是與F1、F2共同作用的效果相同。(3)F1和F2合力的實際測量值是用一根彈簧測力計拉的,不是根據(jù)平行四邊形定則作出的,故F是F1和F2合力的實際測量值。-35-(4)由題意可知:保持O點位置不動,即合力大

21、小方向不變,彈簧測力計M的讀數(shù)不變,因此根據(jù)要求作出力的平行四邊形定則,畫出受力分析圖如下:所以由圖可知角逐漸變小時,N的示數(shù)減小,同時角減小。故選B。-36-4.小明通過實驗驗證力的平行四邊形定則。(1)實驗記錄紙如圖甲所示,O點為橡皮筋被拉伸后伸長到的位置,兩只彈簧測力計共同作用時,拉力F1和F2的方向分別過P1和P2點;用一只彈簧測力計拉橡皮筋時,拉力F3的方向過P3點。三個力的大小分別為F1=3.30N、F2=3.85N和F3=4.25N。請根據(jù)圖中給出的標(biāo)度作圖求出F1和F2的合力。(2)仔細(xì)分析實驗,小明懷疑實驗中的橡皮筋被多次拉伸后彈性發(fā)生了變化,影響實驗結(jié)果。他用彈簧測力計先后

22、兩次將橡皮筋拉伸到相同長度,發(fā)現(xiàn)讀數(shù)不相同,于是進(jìn)一步探究了拉伸過程對橡皮筋彈性的影響。實驗裝置如圖乙所示,將一張白紙固定在豎直放置的木板上,橡皮筋的上端固定于O點,下端N掛一重物,用與白紙平行的水平力緩慢地移動N,在白紙上記錄下N的軌跡。重復(fù)上述過程,再次記錄下N的軌跡。-37-兩次實驗記錄的軌跡如圖丙所示,過O點作一條直線與軌跡交于a、b兩點,則實驗中橡皮筋分別被拉伸到a和b時所受拉力Fa、Fb的大小關(guān)系為。-38-丙(3)根據(jù)(2)中的實驗,可以得出的實驗結(jié)果有哪些?(填寫選項前的字母)()A.橡皮筋的長度與受到的拉力成正比B.兩次受到的拉力相同時,橡皮筋第2次的長度較長C.兩次被拉伸到

23、相同長度時,橡皮筋第2次受到的拉力較大D.兩次受到的拉力相同時,拉力越大,橡皮筋兩次的長度之差越大-39-(4)根據(jù)小明的上述實驗探究,請對驗證力的平行四邊形定則實驗提出兩點注意事項。答案:(1)(見下圖,F合=4.64.9都算對)(2)Fa=Fb(3)BD(4)橡皮筋拉伸不宜過長;選用新橡皮筋。(或:拉力不宜過大;選用彈性好的橡皮筋;換用彈性好的彈簧。)-40-解析:(1)作出力F1、F2和合力的圖示如答案圖所示;經(jīng)測量可得合力大小為4.70N。(2)橡皮筋被拉伸到a和b時,根據(jù)平衡條件,因重物的重力一定,橡皮筋與豎直方向的夾角一定,如圖所示,則橡皮筋受的拉力FT= ,大小一定,故Fa=Fb

24、。-41-(3)由(2)可知橡皮筋的長度與受的拉力不是正比關(guān)系,橡皮筋第2次的長度較長,但受到的拉力與第1次相同,選項A錯誤,B正確;若兩次被拉伸相同長度,第2次橡皮筋與豎直方向的夾角小,由FT= 可知,第2次受的拉力較小,選項C錯誤;拉力越大時,橡皮筋與豎直方向的夾角越大,由題圖可知,橡皮筋兩次的長度之差越大,選項D正確。-42-5.(2016浙江卷)某同學(xué)在探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系的實驗中,測得圖中彈簧OC的勁度系數(shù)為500N/m。如圖1所示,用彈簧OC和彈簧測力計a、b做探究求合力的方法實驗。在保持彈簧伸長1.00cm不變的條件下,-43-(1)若彈簧測力計a、b間夾角為90,彈簧測力計

25、a的讀數(shù)是N(圖2中所示),則彈簧測力計b的讀數(shù)可能為N。(2)若彈簧測力計a、b間夾角大于90,保持彈簧測力計a與彈簧OC的夾角不變,減小彈簧測力計b與彈簧OC的夾角,則彈簧測力計a的讀數(shù)、彈簧測力計b的讀數(shù)(選填“變大”“變小”或“不變”)。答案:(1)3.003.023.94.1(有效數(shù)字不作要求)(2)變大變大解析:(1)彈簧測力計最小刻度為0.1N,要進(jìn)行估讀,所以讀到小數(shù)點后兩位。由題圖2可得a彈簧測力計的讀數(shù)在3.0N左右,因合力為F=kx=5000.01N=5N,兩分力夾角為90,根據(jù)勾股定理進(jìn)行計-44-(2)如圖所示Oa、Ob線段長度表示開始時a彈簧測力計和b彈簧測力計拉力的大小,Oa、Ob線段長度表示b彈簧測力計與C夾角減小后兩彈簧測力計拉力的大小。由圖可知a、b兩彈簧測力計的讀數(shù)都變大。