高考物理考点08 实验：验证平行四边形定则

高考物理考点08 实验：验证平行四边形定则

1 考点 08 实验：验证平行四边形定则 考点解读 一、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。 二、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 （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。 （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： ①实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数 和记录。学， ②作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行。 重点考向 实验：验证平行四边形定则 典例引领 （2018·河北模拟）在“验证力的平行四边形定则”的实验中，某同学按照如下步骤进行操作： 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； 3 b．用图钉把橡皮条的一端固定在板上的 A 点，在橡皮条的另一端检上两条细绳形成结点，细绳的另一 端系着绳套； c．如图甲，用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使结点到达某一位置 O，记录结 点位置和两个弹賛测力计的示数、两根细绳的方向； 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，并以 F1 和 F2 为邻边 作平行四边形，画出它们所夹的对角线。 e．只用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮条，____________；并按同一标度作出这个力 F 的图示； f．比较 和 F 的大小和方向，看它们是否相同，得出结论。 （1）把步骤 e 中的内容补充完整_____________。 （2）本实验中步骤 c 和 e 两次拉橡皮条的过程，主要体现了下列哪种科学方法__________。 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）下列操作有利于减小实验误差的是_________（填字母代号）。 A．实验前将两弹簧测力计调零后水平互钩对拉，选择两个读数相同的测力计 B．拴在橡皮条上的两条细绳必须等长，并且要尽量长一些 C．弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行 D．用两弹賛测力计同时拉橡皮条时，两弹簧测力计的示数之差应尽可能大 E．在记录力的方向时，标记同一细绳方向的两点要远些 （4）图乙是该同学在白纸上根据实验数据用同一标度画出的图示，如果没有操作失误，图乙中的 F 与 两力中，方向一定沿 AO 方向的是_________。 （5）若小明和小刚两位同学在家中想验证力的平行四边形定则，他们手中有一些弹性橡皮条（弹力满 足胡克定律，劲度系数为 k）。如图丙所示，他们将三根橡皮条的一端系在一起，另一端分别系上细线，仍 保证橡皮条原长相同，测得原长 L0=5.40 cm。接下来把贴有白纸的木板放在水平桌面上，两人合作平行于纸 面分别通过细线拉三根橡皮条至某一长度（在弹性限度内），保持状态不变；如图丁所示，记录此时结点 位置和三个橡皮条另一端的位置，量出三个端点到结点 O 的距离分别为 L1=9.20 cm、L2=8.40 cm、L3=7.50 cm， 请根据他们的实验过程和记录的数据作出验证力的平行四边形定则的图示，并说明是如何验证的_______。 4 【参考答案】（1）把橡皮条的结点拉到同一位置 O，读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向 （2） B （3）ACE （4） （5）如图所示 见解析 【详细解析】（1）把步骤 e 中的内容补充完整：把橡皮条的结点拉到同一位置 O，读出弹簧测力计的 （4）图乙中的 F 是理论值， 是实际值，图乙中的 F 与 两力中，方向一定沿 AO 方向的是 ； （5）如图所示，按比例作出平衡时三个橡皮条的拉力的图示；分析说明：将任意一个力反向延长至等 大，由平衡条件可知，这就是另外两个力的合力；比较它与用平行四边形定则作出的另外两个力的合力的 大小和方向，若近似相同即可验证平行四边形定则。 F F F F 5 变式拓展 1．如图所示，某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到三条相同的橡皮筋（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，将第三条橡皮筋的另一端通过 细绳挂一重物。 （1）为完成该实验，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_____________。 【答案】（1）BCD　（2）更换不同的小重物 【解析】（1）用橡皮筋验证平行四边形定则需要测量的是三条橡皮筋的伸长量及其拉伸的方向，与细 绳的长度无关，故上述操作中 A 不需要，B 和 C 是需要的；为了确保力的合成的等效性，悬挂重物后结 点 O 的位置必须相同，所以上述操作中的 D 也是必需的。；网 （2）因为钉子的位置已固定，为了继续进行实验，可改变重物的质量再次进行验证。 6 练习精选 考点闯关 1．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”。三条细绳结于 O 点分别与两弹簧测力计和 钩码相接。 （1）实验步骤如下： A．弹簧测力计 A 挂于固定在竖直木板上的 P 点； B．结点 O 下的细线挂钩码 C； C．手持弹簧测力计 B 缓慢向左拉，使结点 O 静止在某位置； D．记下钩码质量、结点 O 的位置、读出并记录弹簧测力计 A 和 B 的示数、记录_______。 （2）在实验过程中下列哪些情况对实验结果产生误差的是_____（选填选项前的字母）。 A．木板不竖直 B．A 弹簧测力计外壳的重力 C．B 弹簧测力计的拉力方向没有保持水平 D．改变弹簧测力计 B 拉力进行多次实验时，结点 O 的位置发生变化 2．（2018·山西太原五中）某探究实验小组在实验室运用如图所示的实验装置，验证非平衡状态下力的平 行四边形定则，实验操作如下： （1）将三个力传感器固定在一个竖直放置的平板上，调整位置，让 A、B、C 三个传感器的支架方向与 竖直方向的夹角分别为 0°、60°、30°，然后将三个传感器调零。 （2）将两个完全相同的小球置于传感器 A 与 BC 的上端，稳定后启动传感器，用力将平板竖直向上提起， 保持两小球不脱离支架，传感器将记录一系列相同时刻的力。 7 （3）下列说法中正确的是______ A．传感器 A 的示数即为该时刻小球所受的合外力 B．传感器 A 的示数等于该时刻小球所受的支持力 C．相同时刻甲球所受的合外力大于乙球所受合外力 D．相同时刻甲球所受的合外力等于乙球所受合外力 （4）传感器某时刻的数据为 ， ， ，请选择合适的标度，在方格中画出 、 、 的图示，运用平行四边形定求 与 的合力。 （5）经过比较，得出结论在非平衡状态下力的合成与分解____（填“符合”或“不符合”）平行四边形定则。 3．（2018·甘肃天水一中）某同学在做“验证力的平行四边形定则”实验时，将橡皮筋改为劲度系数为 400 N/m 的轻质弹簧 AA'，将弹簧的一端 A'固定在竖直墙面上。不可伸长的细线 OA、OB、OC，分别固定在弹簧 的 A 端和弹簧秤甲、乙的挂钩上，其中 O 为 OA、OB、OC 三段细线的结点，如图 1 所示。在实验过程 中，保持弹簧 AA'伸长 1.00 m 不变。 （1）若 OA、OC 间夹角为 90°，弹簧秤乙的读数是______N。（如图 2 所示） （2）在（1）问中若保持 OA 与 OB 的夹角不变：逐渐增大 OA 与 OC 的夹角，则弹簧秤甲的读数大小将 _____，弹簧秤乙的读数大小将_____。 4.0 NAF  2.0 NBF  3.5 NCF  AF BF CF BF CF 8 体验高考 4．（2018·天津卷）某研究小组做“验证力的平行四边形定则”的实验，所有器材有：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，其中正确的是______。 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，如下图所示。其中对于提高实验精度最有利的是_____。 5．（2015·山东卷）某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。实验步骤： ①将弹簧测力计固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向。。网 ②如图甲所示，将环形橡皮筋一端挂在弹簧测力计的秤钩上，另一端用圆珠笔尖竖直向下拉，直到弹 簧测力计示数为某一设定值时，将橡皮筋两端的位置记为 O1、O2，记录弹簧测力计的示数 F，测量 并记录 O1、O2 间的距离（即橡皮筋的长度 l）。每次将弹簧测力计示数改变 0.50 N，测出所对应的 l，部分数据如下表所示： F(N) 0 0.50 1.00 1.05 2.00 2.50 l (cm) l0 10.97 12.02 13.00 13.98 15.05 ③找出②中 F=2.50 N 时橡皮筋两端的位置，重新记为 O、 ，橡皮筋的拉力记为 。 ④在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图乙所示。用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡 皮筋的两端，使秤钩的下端达到 O 点，将两笔尖的位置标记为 A、B，橡皮筋 OA 段的拉力记为 FOA， OB 段的拉力记为 FOB。 O OOF  9 完成下列作图和填空： （1）利用表中数据在给出的坐标纸上（见答题卡）画出 F–l 图线，根据图线求得 l0=_____cm。 （2）测得 OA=6.00 cm，OB=7.60 cm，则 FOA 的大小为________N。 （3）根据给出的标度，在答题卡上作出 FOA 和 FOB 的合力 的图示。 （4）通过比较 与________的大小和方向，即可得出实验结论。 6．（2015·安徽卷）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木板上一点，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，使得橡皮条伸长，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 F1、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进 行试验。 答案精析 1．（1）三条细绳的方向（拉力的方向） （2）AD 【解析】（1）记下钩码质量、结点 O 的位置、读出并记录弹簧测力计 A 和 B 的示数、记录三条细绳的 方向（拉力的方向）。 FOBFOA BA O O＇ 图乙图甲 O2 O1 F F 10 （2）重力的方向是竖直的，所以木板要竖直，否则不好作图，对实验有影响，故 A 正确；弹簧测力计 外壳的重力并没有作用在弹簧上，不会造成误差，故 B 错误；拉线方向必须与木板平面平行，这样才确 保力的大小准确性，但不一定要水平，不会产生误差，故 C 错误；改变弹簧测力计 B 拉力进行多次实验 时，结点 O 的位置发生变化对实验没有影响，同一次实验时，O 点位置不变，故 D 正确。 运用平行四边形定则求出 与 的合力如图中的 F 所示，在误差允许范围内 F 与 相等，即在非平衡 状态下力的合成与分解符合平行四边形定则。 3．（1）3.00 （2）逐渐减小 先变小后变大 【解析】（1）根据弹簧秤的读数方法可知，弹簧秤乙的读数是 3.00 N； （2）在（1）问中若保持 OA 与 OB 的夹角不变，逐渐增大 OA 与 OC 的夹角，甲乙两个弹簧秤弹力的合 力不变，如图所示，则可知弹簧秤甲的读数大小逐渐减小，弹簧秤乙的读数大小先变小后变大。 BF CF AF 11 4．①BC ②B 5．（1）10.00 （2）1.8 （3）如图 （4） 【解析】（1）做出 F–l 图像，求得直线的截距即为 l0，可得 l0=10.00 cm； （2）可计算弹簧的劲度系数为 ；若 OA=6.00 cm，OB=7.60 cm，则弹簧的弹 力 ；则此时 ； （3）如图所示； OOF  1 N/m=50 N/mΔ 0.02 Fk x  2Δ 50(6.00 7.60 10.0) 10 N=1.8 NF k l      1.8 NOAF F  12