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1、实验三验证力的平行四边形定则 考纲解读1.知道什么是等效替代法.2.能用作图法验证互成角度的两个力合成时遵守平行四 边形定则 基本实验要求 1实验原理 互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F产生相同的效果,看 F1、F2用平行四边形定则求 出的合力F 与 F在实验误差允许范围内是否相等 2实验器材 木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺 3实验步骤 (1)用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的木板上 (2)用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长,结点到达 某一位置O.如实验原理图所示 (3)用铅笔描下结点O 的位置和两个细绳套的方向,并记录
2、弹簧测力计的读数,利用刻度尺和 三角板根据平行四边形定则求出合力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相同的位置O,记下弹簧测 力计的读数F和细绳的方向 (5)比较 F与用平行四边形定则求得的合力F,看它们在实验误差允许的范围内是否相等 规律方法总结 1正确使用弹簧测力计 (1)将两只弹簧测力计调零后水平互钩对拉过程中,读数相同, 可选;若不同,应另换或调校, 直至相同为止 (2)使用时,读数应尽量大些,但不能超出范围 (3)被测力的方向应与轴线方向一致 (4)读数时应正对、平视刻度 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 (
3、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)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 (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 3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: 实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度盘,要按有效数字位数要求和弹簧测 力计的精度正确读数和记录 作图时使用刻度尺,并借助于三角板,使表示两力的对边一定要平行 考点一实验
4、原理及实验操作 例 1某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图1 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 图乙是在白纸上根据实验结果画出 的图 图 1 (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
5、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;而两根弹簧测力计拉橡 皮条至O 点的拉力,根据平
6、行四边形定则作出两弹簧测力计拉力的合力,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” 变式题组 1对实验操作的考查在“验证力的平行四边形定则”实验中,需要将橡皮条的一端固定在 水平木板上,另一端系上两根
7、细绳,细绳的另一端打好绳套,如图2 所示实验中用两个弹 簧测力计分别勾住绳套,并互成角度地拉橡皮条,以下说法正确的是() 图 2 A两根细绳必须等长 B橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上 C在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计拉力方向与木板平面平行,且弹簧测力计中的 弹簧不能与其外壳接触 D同一次实验中,O 点位置允许变动 E实验中,先用其中一个弹簧测力计沿某一方向拉橡皮条至弹簧测力计的最大量程,然后 调节另一弹簧测力计的拉力的大小和方向,把橡皮条的结点拉到O 点 答案C 2对实验原理及操作的考查 某同学用如图3 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
8、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 图 3 (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 _N. (2)下列不必要 的实验要求是 _ 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 答案(1)3.6(2)D(3)见解析 解析(1)弹簧测力计的最小
9、刻度为0.2 N,所以 A 的读数为3.6 N. (2)本实验利用三力平衡的特点来验证力的平行四边形定则,即弹簧测力计A、B 的拉力的合 力与重物M 的重力等大反向,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,所以应在使用前校零,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,故没必要使O 点静止在同一位置,答案为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, 由平行四边形定则知 以下几种方法可行: 减小弹簧测力计B 的拉力; 减小重
10、物 M 的质量 (或将 A 更换成较大 量程的弹簧测力计、改变弹簧测力计B 拉力的方向等 ) 考点二数据处理及误差分析 例 2李明同学在做“验证力的平行四边形定则”实验时,利用坐标纸记下了橡皮筋的结点 位置 O 点以及两个弹簧测力计拉力的大小,如图4 甲所示 图 4 (1)试在图甲中作出无实验误差情况下F1和 F2的合力图示,并用 F 表示此力 (2)有关此实验,下列叙述正确的是_ A两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大 B橡皮筋的拉力是合力,两弹簧测力计的拉力是分力 C两次拉橡皮筋时,需将橡皮筋结点拉到同一位置O.这样做的目的是保证两次弹簧测力计 拉力的效果相同 D若只增大某一个弹簧测
11、力计的拉力的大小而要保证橡皮筋结点位置不变,只需要调整另 一个弹簧测力计的拉力的大小即可 (3)图乙是李明和张华两位同学在做以上实验时得到的结果,其中哪一个实验比较符合实验事 实? (力 F是用一个弹簧测力计拉时的图示) 答 :_. 解析(1)用平行四边形定则作图,即以F1、 F2为两邻边作平行四边形,对角线就表示合力 F.(标上箭头表明方向) (2)两分力可以同时大于合力,故 A 正确; 结点受三个力作用处于平衡状态,其中两弹簧测力 计的拉力的合力与第三个力 橡皮筋的拉力等大反向,是一对平衡力,而橡皮筋的拉力不 是合力,故B 错;只有保证结点在同一位置才能说明作用效果相同,故C 对;若两个分
12、力的 大小变化而方向都不变,则合力必定变化,故D 错 (3)作图法得到的F 必为平行四边形的对角线,单个弹簧测力计的拉力F一定与橡皮筋共线, 故张华的实验比较符合实验事实 答案(1)如图所示 (2)AC(3)张华做实验时得到的结果符合实验事实 拓展题组 3对数据处理的考查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5 甲所示这时弹簧测力计的读数可 从图中读出 图 5 (1)由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为_N 和_N. (2
13、)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 答案(1)2.50(4.00)4.00(2.50)(2)见解析 解析(1)弹簧测力计的最小刻度为0.1 N,读数时应估读一位,所以读数分别为2.50 N(4.00) 和 4.00N(2.50) (2)取一个小方格的边长表示0.50 N,作出两个力及它们的合力如图所示 4对数据处理的考查某同学在做验证互成角度的两个力合成的平行四边形定则实验时,把 橡皮条的一端用图钉固定于P 点,同时用两个弹簧测力计将橡皮条的另一端拉到位置O,这 时两弹簧测力计的示数分别为FA 3.5 N、FB4.0 N,其位置记录如图6 所示倘若橡皮条 的活动端仅
14、用一个弹簧测力计拉着,也把它拉到O 点位置,弹簧测力计的示数为FC6.0 N, 其位置如图所示 图 6 (1)用 5 mm 表示 1 N,在图 7 中作出力 FA、FB和 FC的图示 (2)根据平行四边形定则在图7 中作出 FA和 FB的合力 F, F 的大小为 _N. 图 7 (3)实验的结果是否能验证平行四边形定则:_(填“能”或“不能”) 答案(1)见解析图(2)见解析图 58(5.76.1 均可 )(3)能 解析(1)FA、FB和 FC的图示如图甲所示 (2)根据平行四边形定则作出FA和 FB的合力 F,如图乙所示, 量出其长度, 对应 5 mm 表示 1 N 可得 F 5.8 N.
15、(3)利用平行四边形定则得出的合力与弹簧测力计的示数FC6.0 N,在实验误差允许的范围 内相等,故实验的结果能验证平行四边形定则. 考点三实验拓展与创新 例 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8 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 乙所示 图 8 (1)为完
16、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
17、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F kx,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 拓展题组 5实验创新 某同学在家中用三根相同的橡皮筋(遵循胡克定律)来探究求合力的方法,如图 9 所示,三根橡皮筋在O 点相互连接,拉长后三个端点用图钉固定在A、B、C 三点在实验 中,可以通过刻度尺测量橡皮筋的长度来得到橡皮筋的拉力的大小,并通过OA、 OB、OC 的方向确定三个拉力的方向,从而探究求其中任意两个拉力的合力的方法在实验过程中, 下列说法正确的是() 图 9 A实
18、验过程中需要测量橡皮筋的长度以及橡皮筋的原长 B为减小误差,应选择劲度系数尽量大的橡皮筋 C以 OB、OC 为两邻边作力的平行四边形,其对角线必与OA 在一条直线上且长度相等 D多次实验中O 点不必固定 答案AD 解析胡克定律关系式F kx 中的 x 是橡皮筋的形变量, 实验时应使x适当大些可减小误差, 则应选择劲度系数适当的橡皮筋,故A 正确, B 错误实验有一定的误差,故以OB、OC 为 两邻边作力的平行四边形时,其对角线不一定与OA 在一条直线上, C 错误在多次实验中, 不必使 O 点固定, D 正确 6实验拓展 有同学利用如图10 所示的装置来验证力的平行四边形定则:在竖直木板上铺
19、有白纸,固定两个光滑的滑轮A 和 B,将绳子打一个结O,每个钩码的重量相等,当系统达 到平衡时,根据钩码的个数读出三根绳子的拉力FTOA、FTOB和 FTOC,回答下列问题: 图 10 (1)改变钩码的个数,能完成实验的是() A钩码个数N1N22,N34 B钩码个数N1N33,N24 C钩码个数N1N2N34 D钩码个数N13,N24,N35 (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11 中正确的
20、是 _(填“甲”或“乙”) 图 11 答案(1)BCD(2)A(3)甲 解析(1)实验中的分力与合力的大小关系必须满足|FTOAFTOB|FTOCFTOAFTOB,因此选项 B、C、D 是可以完成实验的 (3)实验中 FTOC是竖直向下的,拉力 FTOA和 FTOB的合力 F合由于误差不与FTOC等大反向,因 此甲正确,乙错误 7实验创新 如图 12 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为0.3 m 的杆将
21、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: 测量细绳与水平杆的夹角AOB 对两个传感器进行调零 用另一根细绳在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. F11.0010.5801.002 F20.8680.2910.865 3060150 图 12 (1)根据表格,A 传感器对应的是表中力_(选填“ F1”或“ F2”)钩码质量为 _kg(结果保留一位有效数字,g10 m/s 2) (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 答案(1)F10.05(2)C 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,系统平衡时, 在竖直方 向上 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
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