【物理】2018届一轮复习江苏专用第二章实验二力的平行四边形定则学案

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【物理】2018届一轮复习江苏专用第二章实验二力的平行四边形定则学案

实验二 力的平行四边形定则 ‎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同.‎ ‎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.如图1甲所示.‎ 图1‎ ‎(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,如图乙所示.‎ ‎(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同.‎ ‎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,是为了使合力的作用效果与两个分力共同作用效果相同,这是利用了等效替代的思想.‎ ‎(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.‎ ‎②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.‎ 命题点一 教材原型实验 例1 某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图2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2‎ ‎(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,①有重要遗漏的步骤的序号是______和______;‎ ‎②遗漏的内容分别是______________________________和____________________.‎ 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”‎ 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)①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.‎ ‎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.‎ ‎1.某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验装置如图3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.根据实验数据在白纸上所作图如图乙所示,已知实验过程中操作正确.‎ 图3‎ ‎(1)乙图中F1、F2、F、F′四个力,其中力________(填上述字母)不是由弹簧测力计直接测得的.实验中,要求先后两次力的作用效果相同,指的是________ (填正确选项前字母).‎ A.两个弹簧测力计拉力F1和F2的大小之和等于一个弹簧测力计拉力的大小 B.橡皮条沿同一方向伸长 C.橡皮条伸长到同一长度 D.橡皮条沿同一方向伸长同一长度 ‎(2)丙图是测量中某一弹簧测力计的示数,读出该力大小为________ N.‎ 答案 (1)F D (2)9.0‎ 解析 (1)F在以F1与F2为邻边的平行四边形的对角线上,不是由弹簧测力计直接测出的.该实验采用了“等效替代”法,即合力与分力的关系是等效的,前后两次要求橡皮条沿同一方向伸长同一长度,故A、B、C错误,D正确.(2)根据丙图读出力的值为9.0 N.‎ ‎2.有同学利用如图4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FTOA、FTOB和FTOC,回答下列问题:‎ 图4‎ ‎(1)改变钩码个数,实验能完成的是(  )‎ 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5中________(选填“甲”或“乙”)是正确的.‎ 图5‎ 答案 (1)BCD (2)A (3)甲 命题点二 实验拓展创新 例2 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将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上,使其轴线沿竖直方向.‎ ‎②‎ 如图6所示,将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上,另一端用圆珠笔尖竖直向下拉,直到弹簧秤示数为某一设定值时,将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2,记录弹簧秤的示数F,测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮筋的长度l).每次将弹簧秤示数改变0.50 N ‎,测出所对应 的l,部分数据如下表所示:‎ 图6‎ F(N)‎ ‎0‎ ‎0.50‎ ‎1.00‎ ‎1.50‎ ‎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,重新标记为O、O′,橡皮筋的拉力记为FO O′.‎ ‎④在秤钩上涂抹少许润滑油,将橡皮筋搭在秤钩上,如图7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.‎ 图7‎ 完成下列作图和填空:‎ ‎(1)利用表中数据在图8坐标纸上画出Fl图线,根据图线求得l0=________cm.‎ 图8‎ ‎(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,在图9中作出FOA和FOB的合力F′的图示.‎ 图9‎ ‎(4)通过比较F′与________的大小和方向,即可得出实验结论.‎ 答案 (1)见解析图甲 10.0(9.8、9.9、10.1均正确)‎ ‎(2)1.80(1.70~1.90均正确) (3)见解析图乙 (4)FOO′‎ 解析 (1)作出Fl图象,如图甲所示,求得直线的横轴截距即为l0,可得l0=10.0 cm ‎(2)可计算橡皮筋的劲度系数 k== N/m=50 N/m 若OA=6.00 cm,OB=7.60 cm,则橡皮筋的弹力为 F=kΔx=50×(6.00+7.60-10.00)×10-2 N=1.80 N 则此时FOA=F=1.80 N ‎(3)FOB=FOA=1.80 N,两力的合力F′如图乙所示.‎ ‎(4)FOO′的作用效果和FOA、FOB两个力共同作用的效果相同,F′是FOA、FOB两个力的合力,所以通过比较F′和FOO′的大小和方向,可得出实验结论.‎ 实验拓展创新的两种方法 以本实验为背景,以实验中操作的注意事项、误差来源设置条件,或通过改变实验条件、实验仪器设置题目.‎ ‎1.对实验原理的理解、实验方法的迁移 ‎2.实验器材的改进 ‎(1)橡皮筋弹簧测力计 ‎(2)钩码弹簧测力计 ‎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10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10‎ ‎(1)为完成实验,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 答案 (1)bce (2)c 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,需要记录题图乙中结点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.‎ ‎4.(2014·江苏·11)小明通过实验验证力的平行四边形定则.‎ 图11‎ ‎(1)实验记录纸如图11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.‎ ‎(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12甲所示,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.‎ ‎ ‎ ‎    图甲           图乙 图12‎ 两次实验记录的轨迹如图乙所示.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和b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________.(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 (1)见解析图(F合=4.6~4.9 N都算对)‎ ‎(2)Fa=Fb (3)BD ‎(4)橡皮筋拉伸不宜过长;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 (1)作出的图示如图所示.‎ ‎ (2)重物受力情况如图所示,由于重力不变,两次实验时,橡皮筋拉力FT的方向相同,故水平拉力F大小相等,即Fa=Fb.‎ ‎(3)根据题图可知,选项B、D正确,选项A、C错误.‎ ‎(4)橡皮筋拉伸不宜过长,选用新橡皮筋等可减小误差.‎
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