2022年高考物理必考实验精细精讲 实验三 验证力的平行四边形定则学案

2022年高考物理必考实验精细精讲 实验三 验证力的平行四边形定则学案目录课前预习基础落实课堂互动考点突破【实验目的】1验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。2培养学生应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。【实验原理】(1)等效法：一个力F的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以一个力F就是这两个力F1和F2的合力，作出力F的图示，如图实1所示。(2)平行四边形法：根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示。(3)验证：比较F和F的大小和方向是否相同，若在误差允许的范围内相同，则验证了力的平行四边形定则。【实验器材】方木板一块、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(几个)、细芯铅笔。【实验过程】1在水平桌面上平放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸固定在方木板上。2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，细绳的另一端系上细绳套。3用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图实2所示。4用铅笔描下O点的位置和两条细绳的方向，读出并记录两个弹簧测力计的示数。5用铅笔和刻度尺在白纸上从O点沿两条细绳的方向画直线，按一定的标度作出两个力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点的平行四边形的对角线即为合力F。6只用一个弹簧测力计，通过细绳把橡皮条的结点拉到同样的位置O，读出并记录弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度用刻度尺从O点作出这个力F的图示。7比较F与用平行四边形定则求出的合力 F的大小和方向，看它们在实验误差允许的范围内是否相等。8改变F1和F2的大小和方向，再做两次实验。【注意事项】1同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，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在同一次实验中，使橡皮条拉长时，结点O的位置一定要相同。3用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时，夹角不宜太大也不宜太小，在60100之间为宜。4读数时应注意使弹簧测力计与木板平行，并使细绳套与弹簧测力计的轴线在同一条直线上，避免弹簧测力计的外壳与弹簧测力计的限位卡之间有摩擦。5细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连接，即可确定力的方向。6在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些。【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减小误差的办法：(1)实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。(2)作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行。课堂互动考点突破考点一实验的原理与操作例1某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图实3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。图实3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；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，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，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：有重要遗漏的步骤的序号是_和_；遗漏的内容分别是_和_。解析(1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向；而根据平行四边形定则作出的合力，由于误差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F。(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，故B正确。 (3)根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作规程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E。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。答案(1)F(2)B(3)CEC中应加上“记下两条细绳的方向”E中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置O”点评两次的效果相同是指两次橡皮条拉伸的方向和伸长量均相同，即需拉到同一位置O。用一个弹簧测力计拉时，拉力的方向一定沿橡皮条的拉伸方向。针对训练：1 (安徽理综)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4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。解析(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。(6)为了验证力的平行四边形定则，需比较合力F与拉力F3的一致程度。答案(3)见解析(6)F和F3考点二实验数据的处理例2 (山东理综)某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。实验步骤：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。如图实5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0.50 N，测出所对应的l，部分数据如下表所示：找出中F2.50 N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。在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图实6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)利用表中数据在图实7中画出Fl图线，根据图线求得l0_cm。 (2)测得OA6.00 cm，OB7.60 cm，则FOA的大小为_N。(3)根据给出的标度，在图实8中作出FOA和FOB的合力F的图示。 (4)通过比较F与_的大小和方向，即可得出实验结论。解析(1)根据表格数据，作出Fl图线见下图，图线的截距即表示橡皮筋原长，因此l010.0 cm。(2)橡皮筋总长lOAOB13.60 cm，根据Fl图线，可读出弹簧长度l13.60 cm时橡皮筋的拉力为1.80 N。(3)根据平行四边形定则作图，对角线表示合力F。见下图。(4)若F与FOO在误差范围内大小相等、方向相同，就表明力的平行四边形定则是正确的。答案(1)作图见解析10.0(9.8，9.9，10.1均正确) (2)1.80(1.701.90均正确)(3)作图见解析(4)FOO针对训练：2“探究求合力的方法”的实验装置如图实9甲所示。(1)某次实验中，弹簧测力计的指针位置如图实9甲所示。其中，细绳CO对O点的拉力大小为_N；(2)请将图甲中细绳CO和BO对O点两拉力的合力F合画在图乙上，由图求出合力的大小F合_N(保留两位有效数字)；(3)某同学对弹簧测力计中弹簧的劲度系数是多少很感兴趣，于是，他将刻度尺与弹簧测力计平行放置，如图丙所示，利用读得的数据，他得出了弹簧的劲度系数，那么，该弹簧的劲度系数k_N/m(保留两位有效数字)。解析(1)由图甲可读出CO对O点的拉力大小为2.60 N。(2)在图乙上的画图如图所示，结合作图可求知合力大小为5.1 N。(3)由图丙可知，弹簧测力计零刻度线对应5.0 mm，2. 60 N对应48.0 mm，由胡克定律，Fkx，解得kF/x60 N/m。答案(1)2.60(2)图见解析5.1(3)60考点三创新实验设计(实验器材创新)例3(衡阳模拟)如图实10所示，某实验小组同学利用DIS实验装置研究支架上力的分解。A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负。A连接质量不计的细绳，可沿固定的板做圆弧形移动。B固定不动，通过光滑铰链连接长0.3 m的杆。将细绳连接在杆右端O点构成支架。保持杆在水平方向，按如下步骤操作： 测量绳子与水平杆的夹角AOB对两个传感器进行调零用另一根绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数取下钩码，移动传感器A改变角重复上述实验步骤，得到表格。(1)根据表格数据，A传感器对应的是表中力_(选填“F1”或“F2”)。钩码质量为_kg(保留一位有效数字)。(2)本实验中多次对传感器进行调零，对此操作说明正确的是（ ）A因为事先忘记调零B何时调零对实验结果没有影响C为了消除横杆自身重力对结果的影响D可以完全消除实验的误差解析(1)A传感器中的力均为正值，故A传感器对应的是表中力F1，平衡时，mgF1sin ，当30时，F11.001 N，可求得m0.05 kg。(2)在挂钩码之前，对传感器进行调零，目的是为了消除横杆自身重力对结果的影响，故C正确。答案(1)F10.05(2)C针对训练：3某同学尝试用橡皮筋等器材验证力的平行四边形定则，他找到两条相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端与细绳连接，结点为O，细绳下挂一重物，两橡皮筋的另一端也都连有细绳。实验时，先将一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子A上，另一条橡皮筋任其下垂，如图实11甲所示；再将另一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子B上，如图实11乙所示。(1)为完成实验，下述操作中必需的是 A两橡皮筋的另一端连接的细绳a、b长度要相同B要测量橡皮筋的原长C要测量图甲和图实11乙中橡皮筋的长度D要记录图甲中结点O的位置及过结点O的竖直方向E要记录图乙中结点O的位置及过结点O的竖直方向(2)对该实验“两条相同的橡皮筋”的要求的理解正确的是（ ）A橡皮筋的材料和原长相同即可B橡皮筋的材料和粗细相同即可C橡皮筋的材料、原长和粗细均要相同解析(1)首先应明白该实验的实验原理，即用橡皮筋的伸长量来表示弹力的大小，所以实验中一定要测橡皮筋的长度，而没必要关心细绳a、b的长度，选项B和C中的操作是需要的，为了确保力的合成的等效性，需要题图乙中结点O的位置及过结点O的竖直方向，选项E中的操作是必需的。(2)为了能用橡皮筋的伸长量表示弹力大小，满足Fkx，应让k值相同，即橡皮筋的材料、粗细、原长均要相同，选项C正确。答案(1)BCE(2)C