届高考物理一轮复习讲义第二章 实验三 验证力的平行四边形定则.docx
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届高考物理一轮复习讲义第二章实验三验证力的平行四边形定则
实验三验证力的平行四边形定则
板块一 主干梳理·夯实基础
实验原理与操作
◆ 实验目的
1.会使用弹簧测力计。
2.验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则。
◆ 实验原理
等效思想:
使一个力F′的作用效果和两个力F1和F2的作用效果相同,就是使同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点O,即伸长量相同,所以F′为F1和F2的合力,作出力F′的图示,再根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示,比较F、F′在实验误差允许的范围内是否大小相等、方向相同。
◆ 实验器材
方木板,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)。
◆ 实验步骤
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,细绳的另一端各系上细绳套。
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。
数据处理与分析
◆ 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这只弹簧测力计的拉力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。
◆ 误差分析
1.读数误差
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,要按有效数字正确读数和记录。
2.作图误差
(1)结点O的位置和两个弹簧测力计的方向画得不准确,作图比例不恰当、不准确等造成作图误差。
(2)两个分力的起始夹角α太大,如大于120°,再做后两次实验时,α变化范围不大,因而弹簧测力计示数变化不显著,读数误差较大,导致作图产生较大误差。
◆ 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,若两只弹簧测力计读数相同,则可选;若读数不同,应调整或另换,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60°~100°之间为宜。
4.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,在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下,拉力的数值尽量大些。
读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度。
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。
◆ 其他实验方案设计
本实验用一个弹簧测力计也可以完成,具体操作如下:
1.把两条细绳套中的一条细绳套与弹簧测力计连接,另一条细绳套用手直接抓住,然后同时拉这两条细绳套,使结点至O点,记下两条细绳套的方向和弹簧测力计的示数F1。
2.放回橡皮条后,将弹簧测力计连接到另一细绳套上,用手再同时拉这两条细绳套,使结点至O点,并使两条细绳套位于记录下来的方向上,读出弹簧测力计的示数F2。
3.其他步骤与提供两只弹簧测力计相同。
板块二 考点细研·悟法培优
考点1实验原理与操作
例1 [2017·长沙模拟]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;
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序号是________和________;
②遗漏的内容分别是____________________________和____________________________。
尝试解答
(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”。
(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)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序号是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。
总结升华
巧记验证力的平行四边形定则实验应注意的问题
用两个弹簧秤拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置),用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)等。
某同学用如图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。
(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________(请填写选项前对应的字母)。
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)使B拉力减小;减小M的重力大小;把A换成量程更大的弹簧测力计或改变B的拉力方向等(任选两个)
解析
(1)根据弹簧测力计的指针位置以及读数规则可知A的示数为3.6N。
(2)要验证的关系是A、B两个弹簧测力计的拉力的合力与M的重力等大反向,所以应测量M的重力。
为减小测量误差,弹簧测力计应在使用前校零,拉力的方向与木板平面平行,A、B、C对。
改变拉力进行多次实验,O点位置可以不同,D错。
(3)A的拉力超过其量程,为减小A的数值,有多种方法,例如:
使B拉力减小,减小M的重力大小,把A换成量程更大的弹簧测力计,改变B的拉力方向等。
考点2数据处理与误差分析
例2 在“验证力的平行四边形定则”的实验中,需要将橡皮筋的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳,O为橡皮筋与细绳的结点。
(1)实验过程中,除记录弹簧测力计的读数和O点位置,还必须记录________。
在坐标纸上画出了如图所示的两分力F1和F2,图中小正方形边长表示1N,则两力的合力F=________N。
(2)为减小实验误差,下列措施正确的是________。
A.两条细绳的夹角必须很大
B.弹簧测力计、细绳、橡皮筋都应与木板平面平行
C.拉橡皮筋的细绳要稍长一些,标记同一条细绳的方向时两标记点要适当近一些
D.应尽量避免弹簧测力计与木板间的摩擦
尝试解答
(1)两根细绳的方向__6__
(2)BD。
(1)关于实验操作步骤:
除记录弹簧测力计的读数和O点位置,还必须记录两根细绳的方向,作出平行四边形,然后量取对角线的长度,即得F=6N。
(2)实验中,为减小实验误差,两条细绳的夹角稍大便于作平行四边形,但不一定“必须很大”,故A错误;弹簧测力计、细绳、橡皮筋都应与木板平面平行,故B正确;拉橡皮筋的细绳要稍长一些,标记同一条细绳的方向时两标记点要适当远一些,这样画出的拉力方向较为准确,故C错误;应尽量避免弹簧测力计与木板间的摩擦,这样测出的拉力较准确,故D正确。
在“探究求合力的方法”实验中,现有木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一把弹簧秤。
(1)为完成实验,某同学另找来一根弹簧,先测量其劲度系数,得到的实验数据如下表:
弹力F(N)
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
伸长量
x(10-2m)
0.74
1.80
2.80
3.72
4.60
5.58
6.42
用作图法求得该弹簧的劲度系数k=________N/m。
(2)某次实验中,弹簧秤的指针位置如图所示,其读数为________N,同时利用
(1)中结果获得弹簧上的弹力值为2.50N,请画出这两个共点力的合力F合。
(3)由图得到F合=________N。
答案
(1)如图所示 55(说明:
±2内都可)
(2)2.10(说明:
有效数字位数正确,±0.02内都可)
(3)3.3(说明:
±0.2内都可)
解析
(1)根据表格数据描点,然后连成一条过原点的直线,直线的斜率等于弹簧的劲度系数。
k=N/m≈55N/m。
(2)读出弹簧秤的读数为2.10N(保留三位有效数字);以O为顶点,画出两弹簧的绳套方向就是两拉力方向,再确定并画好力的标度,画出两拉力的图示,以两拉力为邻边作出平行四边形,画出平行四边形的对角线,即合力F合。
(3)用刻度尺量出合力的长度,根据确定的标度算出合力的大小。
考点3实验创新设计
例3 某同学在家中尝试验证平行四边形定则,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,下述操作中必需的是________。
A.测量细绳OB的长
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