江苏专用版高考物理一轮复习第2章相互作用实验3验证力的平行四边形定则学案Word下载.docx
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(1)使用弹簧测力计前,要先观察指针是否指在零刻度处,若指针不在零刻度处,要调整指针使其指在零刻度处。
再将两只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)实验中的两个细绳套不要太短。
(3)在同一次实验中,使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。
(4)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60°
~100°
之间为宜。
(5)在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。
弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内。
要防止弹簧测力计卡壳,防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦。
(6)在同一实验中,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。
实验原理与操作
实验操作牢记“一注意”和“两记录”:
(1)注意两次结点O的位置必须相同。
(2)两个弹簧测力计拉橡皮条时,记录两弹簧测力计示数、两绳方向和结点O的位置。
(3)一个弹簧测力计拉橡皮条时,记录弹簧测力计示数和细绳方向。
[题组训练]
1.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和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;
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,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:
①有重要遗漏的步骤的标号是________和________;
②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,故本实验采用等效替代法,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标号是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。
[答案]
(1)F′
(2)B (3)①C E ②C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”
2.完成以下“验证力的平行四边形定则”实验的几个主要步骤:
甲 乙
丙
(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O的位置、两弹簧测力计的读数F1、F2以及两细绳套的方向。
(2)如图乙,用一只弹簧测力计钩住细绳套,把橡皮条的结点拉到________,记下细绳套的方向(如图丙中的c),读得弹簧测力计的示数F=________。
(3)如图丙,按选定的标度作出了F1、F2的图示,请在图丙中:
①按同样的标度作出力F的图示;
②按力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F′。
(4)若F′与F_____________________________,则平行四边形定则得到验证。
[解析]
(2)如题图乙,用一只弹簧测力计钩住细绳套把橡皮条的结点拉到同一位置O,记下细绳套的方向,由图示弹簧测力计可读得弹簧测力计的示数F=4.0N。
(3)①作出力F的图示如图所示。
②根据力的平行四边形定则,作出F1、F2的合力F′,如图所示。
(4)若有F′与F在实验误差允许的范围内大小相等,方向相同,则平行四边形定则得到验证。
[答案]
(2)同一位置O 4.0N (3)见解析 (4)在实验误差允许的范围内大小相等,方向相同
数据处理与误差分析
1.数据处理——作图法
在“探究求合力的方法”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,只要在实验误差允许的范围内,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)用两个测力计拉橡皮条时,橡皮条、细绳和测力计不在同一个平面内,这样得到的两个测力计的水平分力的实际合力比由作图法得到的合力小。
(2)结点O的位置和两个测力计的方向画得不准,造成作图的误差。
(3)作图比例不恰当造成作图误差。
1.(2021·
江苏南通·
高三月考)小明同学做“探究弹簧弹力和弹簧形变量的关系”的实验。
甲 乙
(1)实验装置如图甲,下列操作规范的是________。
A.实验前,应该先把弹簧水平放置测量其原长
B.逐一增挂钩码,记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重
C.随意增减钩码,记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重
D.实验结束后,应拆除实验装置,整理并复原实验器材
(2)小明同学在实验后,根据记录的数据进行处理,描绘出弹簧的伸长量Δl与弹力F相关的点如图乙所示,请你根据所学知识用一定的线来拟合这些点。
(3)根据拟合的线,回答以下问题:
①本实验中弹簧的劲度系数k=________N/m;
②图线中后半部分明显偏离直线,你认为造成这种现象的主要原因是________。
[解析]
(1)为了消除弹簧自重的影响,实验前,应该先把弹簧竖直放置测量其原长,故A错误;
为了更好的找出弹力与形变量之间的规律,应逐一增挂钩码,记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重,故B正确,C错误;
实验结束后,应拆除实验装置,整理并复原实验器材,故D正确。
(2)如图所示
(3)图象直线部分的斜率的倒数表示弹簧的劲度系数,则k=
N/m=100N/m
图线中后半部分明显偏离直线,即弹力与形变量不成正比,则造成这种现象的主要原因是超过弹簧的弹性限度。
[答案]
(1)BD
(2)见解析(3)100 超过弹簧的弹性限度
2.(2018·
天津高考)某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,所用器材有:
方木板一块、白纸、量程为5N的弹簧测力计两个、橡皮条(带两个较长的细绳套)、刻度尺、图钉(若干个)。
(1)具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的有________。
A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上
B.重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同
C.使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线,读数时视线应正对测力计刻度
D.用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计时的拉力
(2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验,白纸上留下的标注信息有结点位置O、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点,如图所示。
其中对于提高实验精度最有利的是________。
[解析]
(1)为了使实验结果更具有普遍性,在实验过程中不应让橡皮条的拉力方向具有特殊的角度或位置,A错误;
只要同一次实验时用一个力和用两个力拉的效果相同,即O点位置相同即可,重复实验时的O点位置不需要与前一次实验相同,B正确;
使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线,读数时,视线应正对弹簧测力计的刻度,C正确;
合力可以大于任一个分力,也可以等于分力,还可以小于任一分力,D错误。
(2)A、D实验中选取的力的标度过大,导致画力时,线段太短,不利于实验精确度;
B图和C图选用的标度相同,但C中力太小,不利于作平行四边形,故B符合题意。
[答案]
(1)BC
(2)B
实验拓展与创新
在验证力的平行四边形定则的实验中,试题往往避开课本中固定的实验模式,另辟蹊径,通过变换实验装置,变换操作方法,达到验证实验的目的,常见以下创新点。
实验原理的创新
1.通过应用定滑轮,改变拉力的方向。
2.钩码的总重力等于对应细绳拉力大小。
1.将橡皮筋和弹簧秤的实验角色互换。
2.秤钩上涂抹少许润滑油,保证了橡皮筋两侧弹力大小相同,与两侧橡皮筋长度大小无关。
实验器材的创新
图(a) 图(b) 图(c)
1.电子秤代替弹簧秤,可以直接读出力的大小。
2.同一电子秤应用于图(a)、(b)、(c)三幅图中,可得出三根细线中拉力的大小。
实验过程的创新
1.探究拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。
2.橡皮筋上端固定,下端挂一重物,用水平力两次拉动重物,对应不同的轨迹。
1.有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F1、F2和F3,回答下列问题:
(1)改变钩码个数,实验不能完成的是________。
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。
(选填“甲”或“乙”)
[解析]
(1)此实验中的分力与合力的大小关系必须满足:
|F1-F2|<F3<F1+F2,因此B、C、D选项是可以的。
(2)A
(3)实验中F3是竖直向下的,所以甲是正确的。
[答案]
(1)A
(2)A (3)甲
2.(2020·
广州模拟)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。
甲 乙 丙
(1)如图甲,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)如图乙,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)如图丙,将另一颗墙钉B钉在与O同一水平线上,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。
[解析]
(1)要测量装满水的水壶的重力,需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位置不能变化,力的方向也不能变化,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′在误差允许的范围内重合,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′在误差允许的范围内重合
3.(2020·
陕西西安中学高三月考)某物理实验小组做“验证力的平行四边形定则”的实验。
图1 图2
(1)图1是实验装置,将橡皮条一端固定在长木板上,另一端与两根细绳相连,两细绳的另一端分别有一个绳套。
实验时,先用两个弹簧测力计平行于木板拉绳套,将橡皮条与细绳的结点拉到O点,其中拉OC细绳的弹簧测力计指针位置如图1所示,其读数为________N;
根据记录的两个弹簧测力计的示数F1、F2和各自的方向,作出这两个力的图示,并用作图法作出两个力的合力F;
再用一个弹簧测力计拉橡皮条,也使结点到O点,记录这时弹簧测力计的示数和方向,并作出这个力的图示F′,图2中的F与F′两力中,方向一定沿AO方向的是________。
(2)关于实验中的一些要点,下列说法正确的是______________。
A.分力和合力的大小都不能超过弹簧测力计的量程
B.在测量同一组数据F1、F2和F′的过程中,橡皮条与细绳结点的位置不能变化
C.橡皮条弹性要好,拉结点到达某一位置O时,拉力要适当大些
D.拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要近些
(3)仔细分析实验后,该小组怀疑实验中的橡皮条被多次拉伸后弹性发生了变化,从而影响实验结果。
他们用弹簧测力计先后两次将橡皮条拉伸到相同长度,发现读数不相同,于是他们进一步探究了拉伸过程对橡皮条弹性的影响。
实验装置如图3所示,将一张白纸固定在竖直放置的木板上,把橡皮条的一端固定于O点,另一端N挂一重物。
用与白纸平行的水平力缓慢地移动N,在白纸上记录下N的轨迹。
重复上述过程,再次记录下N的轨迹。
图3 图4
两次实验记录的轨迹如图4所示。
过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点,则实验中橡皮条分别被拉伸到a点和b点时所受拉力Fa、Fb的大小关系为Fa________Fb(填“大于”“小于”或“等于”)。
(4)根据上述实验探究,请对验证力的平行四边形定则实验提出一点注意事项:
________。
[解析]
(1)由图1所示弹簧测力计可知,其分度值为0.1N,示数为2.60N;
用一个弹簧测力计拉橡皮条时,拉力的方向与橡皮条伸长的方向在同一直线上,用一个弹簧测力计拉橡皮条时拉力的图示为力的图示F′,则F′的方向一定沿橡皮条AO的方向。
(2)为保持弹簧测力计,分力和合力的大小都不能超过弹簧测力计的量程,故A正确;
为保证力的作用效果相同,在测量同一组数据F1、F2和F′的过程中,橡皮条与细绳结点的位置不能变化,故B正确;
为减小实验误差方便实验操作,橡皮条弹性要好,拉结点到达某一位置O时,拉力要适当大些,故C正确;
为准确标记拉力的方向,拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些,故D错误。
(3)N点受力如图所示,由于a、b在同一直线上,橡皮条与竖直方向的夹角相同,设为θ,缓慢地移动N,N处于动态平衡状态,则Fa=
,Fb=
则Fa=Fb。
(4)橡皮条使用时间长了弹性可能会发生变化,为方便实验操作减小实验误差,应选择弹性好的新橡皮条进行实验。
[答案]
(1)2.60 F′
(2)ABC (3)等于 (4)选择弹性好的新橡皮条实验
4.(2019·
江苏七市三模)验证“力的平行四边形定则”,如图所示,实验步骤如下:
①用两个相同的弹簧测力计互成角度拉细绳套,使橡皮条伸长,结点到达纸面上某一位置,记为O1;
②记录两个弹簧测力计的拉力F1和F2的大小和方向;
③只用一个弹簧测力计,将结点仍拉到位置O1,记录弹簧测力计的拉力F3的大小和方向;
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F3和F的一致程度。
(1)下列说法中正确的是________。
A.应使橡皮条与两绳夹角的平分线在同一直线上
B.为了便于计算合力大小,两绳间夹角应取30°
、45°
、90°
等特殊角度
C.系在橡皮条末端的两绳要一样长
D.同时改变两个弹簧测力计的拉力,结点可能保持在位置O1
(2)改变F1、F2,重复步骤①至⑥进行第二次实验,记下结点位置O2,位置O2________(选填“必须”或“不必”)与位置O1相同。
(3)实验记录纸如图所示,两弹簧测力计共同作用时,拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点;
两个力的大小分别为:
F1=3.0N,F2=3.5N。
请根据图中给出的标度作出F1和F2的合力,测得合力F=________N。
(4)实验中,用两个弹簧测力计同时拉,两绳夹角小于90°
,一个弹簧测力计示数接近量程,另一个超过量程的一半。
请说明这样操作________(选填“合理”或“不合理”),理由是____________________。
[解析]
(1)本实验要验证力合成的平行四边形定则,只有两分力大小相等时,橡皮条与两绳夹角的平分线在同一直线上,而本实验对两个分力大小没有要求,只需要同一实验中力的作用效果相同即可,A错误;
本实验属于验证试验,不需要取特殊角度,B错误;
细绳只是为了连接测力计和橡皮条的,长短没有要求,适当即可,C错误;
同时改变两个分力大小,合力可能保持不变,结点仍在位置O1,D正确。
(2)实验只需保证每一次实验中合力与分力作用效果相同,不同实验中力的作用效果可以不同,所以位置O2与位置O1不必相同。
(3)根据力的图示作出图象如下:
并测量得到合力大小为4N。
(4)两绳夹角小于90°
,一个弹簧测力计示数接近量程,另一个超过量程的一半,实验操作不合理,因为两分力夹角为锐角时,合力大小大于分力,一个分力已经接近量程,那么只用一个弹簧测力计拉时(合力大小)会超过其量程。
[答案]
(1)D
(2)不必 (3)见解析 4
(4)不合理 只用一个弹簧测力计拉时会超过其量程
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