1、2020新亮剑高考总复习 第二单元 相互作用 实验3 验证力的平行四边形定则 磨剑：课前自学 课前自测 素养达成 知识清单 考点巧讲悟剑：课堂精讲 知识清单 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.培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。实验器材 方木板一块、白纸、弹簧测力计(两个)、橡皮条一段、细绳(两条)、白纸、刻度尺、三角板、图钉、铅笔。实验原理 等效法: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,再根据平行四边形定则作出力 F1、F2 的合
2、力 F 的图示,比较 F 和 F的大小和方向是否相同,从而验证力的平行四边形定则。知识清单 实验步骤 1.在桌面上平放一块方木板,在方木板上铺一张白纸,用图钉把它固定在方木板上。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,细绳的另一端系着绳套。3.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的同一结点,使橡皮条伸长,结点到达某一位置 O(如图所示)。4.用铅笔记下 O 点的位置和两条细绳的方向,读出两个弹簧测力计的示数。5.用铅笔和刻度尺在白纸上从 O 点沿着两条细绳的方向画直线,按照一定的标度作出两个力 F1 和 F2 的图示,用平行四边形定则求出其合
3、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,读出弹簧测力计的示数,并记下细绳的方向,按同一标度作出这个力 F的图示。7.比较力 F与 F 的大小和方向,看它们在一定范围内是否相等。8.改变两个分力的大小和夹角,再做两次实验。课前自测 答案 BCD 更换不同的小重物 1.(2019 辽宁大连模拟)某同学在家中尝试验证平行四边形定则,他找到 3 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分别挂在墙上的两个钉子 A、B 上,另一端与第三条橡皮筋连接,结点为 O,将第 3 条橡皮筋的另一端通过
4、细绳挂一重物,如图所示。(1)为完成实验,下述操作中必需的是 。A.测量细绳的长度 B.测量橡皮筋的原长 C.测量悬挂重物后橡皮筋的长度 D.记录悬挂重物后结点 O 的位置(2)钉子位置固定,欲利用现有器材,改变条件再次验证,可采用的方法是 。解 析 课前自测(1)必须测量橡皮筋的原长和悬挂重物后橡皮筋的长度,这样才能确定橡皮筋的伸长量。确定各力的大小,还需记录悬挂重物后结点 O 的位置,同时记下 3条橡皮筋所在的方向,以便确定各拉力的方向,根据平行四边形定则作出合力的图示。因此,(1)中必需的是 B、C、D。(2)改变条件再次验证可采用更换不同的小重物的方法。课前自测 答案 BC B 2.(
5、2018 天津卷,9)某研究小组做“验证力的平行四边形定则”的实验,所用器材有:方木板一块,白纸,量程为 5 N 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
6、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 课前自测(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 项错误;只要每一次实验时用一个力和用两个力拉的效果相同即可,即 O 点位置相同,不需要每次实验的 O 点位置都相同,B 项正确;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 项正确;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 项错误。(2)A、D 实验中选取的力的标度过大,导致画力时,线段太短,不利于提高实验精确度;B 图和 C 图选用的标度相同,但 C
7、中力太小,不利于作平行四边形,故 B 符合题意。考点巧讲 一 实验原理和实验操作 等效法:等效法是常用的科学思维方法。所谓“等效法”就是在特定的某种意义上,在保证效果相同的前提下,将陌生的、复杂的、难处理的问题转换成熟悉的、简单的、易处理的一种方法。等效法在中学物理中应用较为广泛。考点巧讲 例1 答案 某同学做“探究求合力的方法”实验,所用器材有:木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和两个弹簧测力计,实验装置如图甲所示。(1)该同学按下列步骤操作:在水平桌面上放一块方木板,在方木板上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在方木板上。用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的 A 点,在橡皮条的另一端系上两条细绳,细绳
8、的另一端系着绳套。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,橡皮条与细绳的结点到达某一位置 O,记下 O 点的位置及两个弹簧测力计的示数 F1 和 F2。按选好的标度,分别作出 F1 和 F2 的图示,并用平行四边形定则求出合力 F。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 F的方向,按统一标度作出这个力 F的图示。比较 F和 F 的大小和方向,得出结论。甲 考点巧讲 在上述步骤中,步骤遗漏的重要操作是 。步骤遗漏的重要操作是 。(2)根据实验数据画出力的图示,如图乙所示,图上标出了 F1、F2、F、F四个力,其中 不是由弹簧测力计直接
9、测得的,F 与 F两力中,方向一定沿 AO 方向的是 。(填上述字母)答案(3)实验中用 M、N 两个测力计通过细线拉橡皮条的结点,使其到达 O 点,此时+=90,如图丙所示。然后保持 M 的示数不变,而使 减小,为保持结点位置不变,可采用的办法是 。A.减小 N 的示数同时减小 角 B.减小 N 的示数同时增大 角 C.增大 N 的示数同时增大 角 D.增大 N 的示数同时减小 角 乙 丙记录力F1和F2的方向 把橡皮条与细绳的结点拉到位置O FF A解析 考点巧讲(1)步骤中未记录力 F1 和 F2 的方向;步骤中未明确是否把橡皮条与细绳的结点拉到位置 O。(2)力 F1 和 F2、F是由
10、弹簧测力计直接测量的,F 是通过平行四边形定则所得的 F1 和 F2 的合力,F1 和 F2 的合力的实验值是指通过实验得到的,即用一个弹簧拉绳套时测得的力的大小和方向,而理论值是指通过平行四边形定则得出的值,故 F是力F1 和 F2 合力的实验值,其方向一定沿 AO 方向。(3)要保证结点不动,应保证合力不变,则由平行四边形定则可知,合力不变,M 方向向合力方向靠拢,根据图丁可知,N 的拉力减小,同时应减小 角,A 项正确。丁 二 实验数据处理与误差分析 考点巧讲“验证力的平行四边形定则”的实验原理是:记录两个分力以及合力的大小和方向后,选用相同的标度将这三个力画出来,画出来的合力是实际值,
11、然后根据平行四边形画出合力的理论值,通过比较实际值和理论值的关系来进行验证,明确了实验原理即可知道实验中需要记录的物理量和具体的操作。例2 答案 考点巧讲 某实验小组在做“验证力的平行四边形定则”实验时,发现弹簧秤已被别人领走,于是他们在实验室找了三个橡皮筋(弹力满足胡克定律)验证力的平行四边形定则,如图甲所示,把贴有白纸的木板放在水平桌面上,他们将完全相同的三根橡皮筋的一端都固定在结点 O 处,另一端分别系上细线,沿平行于纸面的方向分别通过细线将三根橡皮筋拉至某一长度(在弹性限度内),保持状态不变,如图乙所示,记录此时结点的位置和三个橡皮筋另一端的位置,量出三个端点到结点 O 的距离分别为
12、L1、L2、L3。(1)取下白纸分别用 L1、L2、L3 的长度表示 F1、F2、F3,然后作平行四边形,这样做错误的原因是 。甲 乙 不能用橡皮筋的长度表示力,应减去原长 答案 考点巧讲(2)测得原长 L0=4.40 cm,L1=9.40 cm,L2=8.40 cm,L3=7.40 cm。若三根橡皮筋产生的弹力分别为 F1、F2、F3,图中已作出 F1 的图示。请根据 F1 的大小比例分别作出 F2 和 F3 的图示,并根据平行四边形定则画出 F2 和 F3 的合力 F 合。请在图中画出与 F2 和 F3 共同作用效果相同的力 F的图示。若 F 合 与 F 的大小及方向的偏差均在实验所允许的
13、误差范围之内,则该实验验证了力的平行四边形定则。丙 解析 考点巧讲(1)不能用橡皮筋的长度表示力,应减去原长。(2)根据题意得出三个橡皮条的形变量分别为 x1=5.00 cm,x2=4.00 cm,x3=3.00 cm,橡皮条的弹力与形变量成正比,按比例作出 F2 和 F3 的图示及两个力的合力 F 合的图示,还有力 F 的图示,如图丙所示。三 实验拓展与创新 考点巧讲 验证力的平行四边形定则的实验原理:将理论值与实际值进行对比,合力的理论值由平行四边形法则使用作图法得到,需要记录两分力 F1 和 F2 的大小和方向;实际值的测量根据等效替代法由实验得到。根据本实验的原理,采用作合力与分力的图
14、示的方法来探究平行四边形定则。本实验采用的是等效替代的方法,即一个合力与几个分力共同作用的效果相同,可以互相替代。例3 考点巧讲 小明通过实验验证力的平行四边形定则。(1)实验记录纸如图甲所示,O 点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置,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,一个弹簧测力计拉橡皮筋时,拉力 F3 的方向过 P3 点。三个力的大小分别为 F1=3.30 N、F2=3.85 N 和 F3=4.25 N。请根据图中给出的标度作图求出 F1 和 F2 的合力。甲 乙 丙 答案 丁 考点巧讲(2)仔细分析实验,小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变
15、化,影响实验结果。他用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度,发现读数不相同,于是进一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。实验装置如图乙所示,将一张白纸固定在竖直放置的木板上,橡皮筋的上端固定于 O 点,下端 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。两次实验记录的轨迹如图丙所示。过 O 点作一条直线与轨迹交于 a、b 两点,则实验中橡皮筋分别被拉伸到 a 点和 b 点时所受拉力 Fa、Fb 的大小关系为 。(3)根据(2)中的实验,可以得出的实验结果有()。(填写选项前的字母)A.橡皮筋的长度与受到的拉力成正比 B.两
16、次受到的拉力相同时,橡皮筋第 2 次的长度较长 C.两次被拉伸到相同长度时,橡皮筋第 2 次受到的拉力较大 D.两次受到的拉力相同时,拉力越大,橡皮筋两次的长度之差越大(4)根据小明的上述实验探究,请对验证力的平行四边形定则实验提出两点注意事项。答案 Fa=FbBD橡皮筋不宜过长;选用新橡皮筋(或拉力不宜过大;选用弹性好的橡皮筋;换用弹性好的弹簧)解析 考点巧讲(1)根据标度值,连接 OP1 和 OP2 以及 OP3,根据实验记录的拉力的大小画出相应的力的图示,根据平行四边形的画法,画出两个分力的合力,如图丁所示。(2)根据力的合成与分解可知橡皮筋的端点 N 受到的三个力的作用,其中重力的大小、方向均不变,另一个水平拉力一直沿水平方向,可知橡皮筋上的弹力 Fa=Fb=2+水平2。(3)由实验现象可以看出,两次橡皮筋受到的拉力相同,但是橡皮筋的长度不同,第 2 次的长度较长些;拉力越大,橡皮筋的形变量越大,两次的长度之差越大。B、D 两项正确。(4)为了使实验误差较小,选用的橡皮筋不宜过长;考虑到橡皮筋形变的恢复情况,应尽量选用新橡皮筋。(或拉力不宜过大;选用弹性好的橡皮筋;换用弹性好的弹簧)