2019版高考物理总复习实验创新增分专题三验证力的平行四边形定则学案20180517387.doc
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1、实验三验证力的平行四边形定则一、实验基础1实验目的:验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则。2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。3实验器材:木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计(2只)、三角板、刻度尺等。4实验步骤(1)用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的木板上,如图所示。(2
2、)用两个弹簧测力计分别钩住两个绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长,结点到达某一点O。(3)用铅笔描下结点O的位置和两个细绳套的方向,并记录弹簧测力计的读数F1、F2,利用刻度尺和三角板作平行四边形,画出对角线所代表的力F。(4)只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面实验中的相同位置O,记下弹簧测力计的读数F和细绳的方向。(5)比较F和F,观察它们在实验误差允许的范围内是否相同。二、数据处理与误差分析1数据处理(1)用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形,过O点画平行四边形的
3、对角线,此对角线即为合力F的图示。(2)用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出实验步骤(4)中弹簧测力计的拉力F的图示。(3)比较F与F是否完全重合或几乎完全重合,从而验证平行四边形定则。2误差分析:实验误差除弹簧测力计本身的误差外,还主要来源于读数误差和作图误差两个方面。(1)减小读数误差的方法:弹簧测力计数据在允许的情况下,尽量大一些。读数时眼睛一定要正视刻度,要按有效数字正确读数和记录。(2)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F就越大,所以实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大。3注意事项(1)弹簧相同:使用
4、弹簧测力计前,要先观察指针是否指在零刻度处,若指针不在零刻度处,要设法调整指针,使之指在零刻度处。再将两个弹簧测力计的挂钩钩在一起,向相反方向拉,如果两个示数相同方可使用。(2)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。(3)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60120之间为宜。(4)尽量减少误差: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;细绳套应适当长一些,便于确定力的方向。(5)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。考点1基础实验例1(2015安徽高
5、考)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F
6、1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。解析使一个力F的作用效果和两个力F1、F2的共同作用效果相同,都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到某点,则力F就是这两个力F1、F2的合力。作出F的图示,再根据力的平行四边形定则作出力F1、F2的合力F3的图示,比较F和F3的大小和方向是否相同,从而验证力的平行四边形定则。因为是矢量,所以本实验中必须记录结点O的位置以及弹簧弹力的大小和方向。答案(3)沿此细绳(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)F和F3每次实验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
7、作用的效果相同,这是物理学中等效替换的思想方法。由于力不仅有大小,还有方向,若两次橡皮条的伸长长度相同但结点位置不同,说明两次效果不同,不满足合力与分力的关系,不能验证平行四边形定则。某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示,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
8、;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:有重要遗漏的步骤的序号是_和_;遗漏的内容分别是_和_。答案(1)F(2)B(3)CE
9、C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”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,B正确。(3)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。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。考点2数据处理与误差分析例2(2017大连重点中学联考)在探究求合力的方法时,先将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上带有绳套的
10、两根细绳。实验时,需要两次拉伸橡皮条,一次是通过两细绳用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条。(1)同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益的说法是_(填字母代号)。A两根细绳必须等长B弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行C用两弹簧测力计同时拉细绳时,两弹簧测力计示数应适当大一些D拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些(2)当橡皮条的活动端拉到O点时,两根细绳相互垂直,如图所示。这时弹簧测力计a、b的读数分别为_N和_N。(3)在给出的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力,并利用作图法求出合力大小为_N。解析(1)拉橡皮
11、条的两根细绳长度不需要相等,适当长一些,标记同一细绳方向的两点离得远一些,可以减小在方向描述上的误差。弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行,以保证各拉力的方向与木板平行,这样能够在白纸上记录下各力的方向。弹簧测力计示数适当大一些可减小读数误差。B、C、D正确。(2)弹簧测力计上最小一格表示0.1 N,读数时有效数字要保留两位小数。(3)以方格纸上一个小格的边长作为0.5 N的标度,作出两个拉力的图示,以这两个拉力为邻边作平行四边形,则所夹的对角线就表示合力的大小和方向。量出该对角线的长度,看其是标度的多少倍,求其大小。答案(1)BCD (2)4.00 2.50(3)如图所示4.70(4.50
12、4.90 均可)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,如图所示。2误差分析(1)弹簧测力计使用前没调零会造成系统误差。(2)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外壳和纸面之间有摩擦力存在会造成系统误差。(3)两次测量拉力时,橡皮条的结点O没有拉到同一点会造成偶然误差。(4)读数时眼睛一定要正视,要按有效数字正确读数和记录,两力的对边一定要平行,否则会造成错误。(5)在应用平行四边形定则作图时,F1、F2及合力F作图不准确。(201
13、7河南洛阳统考)某物理兴趣小组在“验证平行四边形定则”的实验中,找到两条劲度系数相同的橡皮筋(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,设计了如图所示实验:将两条橡皮筋的一端用细绳连接于结点O,两条橡皮筋的另一端分别挂在墙上的钉子A及重物C上,同时用一条细绳一端与结点O相连,另一端用钉子B固定在墙上。(1)为完成该实验,下述操作中不必要的是_。A记录细绳OB的位置B测量每条橡皮筋的伸长量C记录悬挂重物后结点O的位置D测量细绳OB的长度(2)为了减小实验误差,以下采取的措施必要的是_。A两橡皮筋必须等长、粗细相同B每条橡皮筋的伸长量应尽可能大C细绳、橡皮筋都应与竖直
14、墙面平行D拉橡皮筋的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要适当远些答案(1)D(2)CD解析(1)为完成该实验,需要测量每条橡皮筋的伸长量,可以得出两条橡皮筋的弹力的关系;记录悬挂重物后结点的位置,可以画出OA、OC橡皮筋中的弹力图示。记录细绳OB的位置,可以得出OA和OC中合力的真实方向。不必要测量细绳OB的长度,选D。(2)实验中,两橡皮筋不是必须等长、粗细相同;每条橡皮筋的伸长量不需要尽可能大。细绳、橡皮筋都必须与竖直墙面平行,拉橡皮筋的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要适当远些,可以减小实验误差,C、D正确。考点3实验的拓展与创新实验原理的迁移利用三力平衡的结论,一个力与另外两个力的合
15、力等大反向,验证这个力与另外两个力的关系实验器材的替换例3(2017广州二模)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(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),将三根细线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
16、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。解析(1)要测量装满水的水壶的重力,则应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,也要记录三根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
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