【物理】2020届一轮复习人教版实验验证力的平行四边形定则学案

【物理】2020届一轮复习人教版实验验证力的平行四边形定则学案

验证力的平行四边形定则 ‎◆注意事项 操作不忘“三”“二”“一”‎ 用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“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)．‎ ‎◆误差分析 ‎1．读数误差 本实验的误差除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等．‎ ‎2．减小误差的方法 ‎(1)结点O ‎①定位O点时要力求准确．‎ ‎②同一次实验中橡皮条拉长后的O点必须保持不变．‎ ‎(2)拉力 ‎①用弹簧测力计测拉力时要使拉力沿弹簧测力计轴线方向．‎ ‎②应尽量使橡皮条、弹簧测力计和细绳套位于与纸面平行的同一平面内．‎ ‎③两个分力F1、F2间的夹角θ不要太大或太小．‎ ‎(3)作图 ‎①在同一次实验中，选定的比例要相同．‎ ‎②严格按力的图示要求和几何作图法作出平行四边形，求出合力．‎ 热点一实验原理及实验操作 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例1](2018·天津卷)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________.‎ ‎[审题指导]在“验证力的平行四边形定则”实验中，选取合适的标度，按比例作平行四边形，求F1和F2的合力，而力F方向应与橡皮条方向共线．‎ ‎[解析]本题考查“验证力的平行四边形定则”实验．‎ ‎(1)橡皮条的弹力方向不需要在两绳套夹角的角平分线上，选项A错误；重复实验，结点O的位置与上次实验无关，可以不同，选项B正确；使用测力计时，为避免弹簧与外壳的摩擦，要求施力方向应沿测力计轴线方向，读数时视线应正对测力计刻度，选项C正确；拉力小于弹簧测力计的量程即可，选项D错误．‎ ‎(2)“验证力的平行四边形定则”实验中，在不超测力计量程的前提下，拉力应尽量大些；确定拉力方向时，所描点应与O点的距离大些；两绳套夹角不能过大或过小；作图示时，所选标度越小，精度越高．综上所述，应选B.‎ ‎[答案](1)BC(2)B ‎[题组巩固]‎ ‎1．(2019·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_______________________.‎ 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，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.‎ 答案：(1)F′(2)B(3)①CE②C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．某同学用钩码和弹簧测力计做“验证力的平行四边形定则”实验．‎ ‎(1)请将实验内容补充完整：‎ A．将一根橡皮筋的一端固定在贴有白纸的竖直平整木板上，在另一端绑上两根系有细绳套的细线．‎ B．其中一根细线挂上5个质量相等的钩码(每个钩码质量均为‎50 g)，使橡皮筋拉伸，如图甲所示，记录________、结点的位置O和细线方向．‎ C．将图甲中钩码取下一个，并将细线用一光滑铁钉B(可随时固定)支开，在另一细线上挂上弹簧测力计，使两细线成一定角度，拉弹簧测力计，如图乙所示，图中α、β 可测定，当＝时，橡皮筋正好位于竖直方向且橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合，此时弹簧测力计的示数应为________ N(当地重力加速度g＝‎10 m/s2)．‎ ‎(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 解析：(1)由实验原理可知本实验利用等效替代法来验证“力的平行四边形定则”，图甲中钩码的重力即合力大小，细线方向即合力方向，所以应记录钩码的个数(细线上的拉力)、结点O的位置和细线方向，在用钩码和弹簧测力计一起拉橡皮筋时，一定要将橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合，此时应记录钩码个数、弹簧测力计示数及对应的细线方向，分析图乙中结点的受力情况可得水平方向有4mgcos α＝Fcos β，代入数据得弹簧测力计的示数应为F＝3mg＝1.5 N.‎ ‎(2)由(1)知是等效替代法．‎ 答案：(1)钩码的个数(细线上的拉力)1.5(2)B 热点二实验数据与误差分析 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例2](2017·全国卷Ⅲ)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴(横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示‎1 mm)的纸贴在水平桌面上，如图(a)所示．将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外)，另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长．‎ ‎(1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O，此时拉力F的大小可由测力计读出．测力计的示数如图(b)所示，F的大小为________N.‎ ‎(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A点；现使用两个测力计同时拉橡皮筋，再次将P端拉至O点．此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2 N和F2＝5.6 N.‎ ‎①用‎5 mm长度的线段表示1 N的力，以O为作用点，在图(a)中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力F合；‎ ‎②F合的大小为________N，F合与拉力F的夹角的正切值为________.‎ 若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则．‎ ‎[审题指导]验证力的平行四边形定则中的作图法要注意标明；力的标度、刻度、方向箭头、大小和物理量名称．‎ ‎[解析](1)由测力计的读数规则可知，读数为4.0 N.‎ ‎(2)①利用平行四边形定则作图．‎ ‎②由图可知F合＝4.0 N，从F合的顶点向x轴和y轴分别作垂线，顶点的横坐标对应长度为‎1 mm，顶点的纵坐标长度为‎20 mm，则可得出F合与拉力F的夹角的正切值为0.05.‎ ‎[答案](1)4.0(2)①F1、F2和F合如图所示 ‎②4.00.05‎ ‎[题组巩固]‎ ‎3．小白用如图所示的装置验证“力的平行四边形定则”，其部分实验操作如下．‎ ‎(1)请完成下列相关内容：‎ a．在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O.‎ b．卸下钩码，然后将两绳套系在弹簧下端，用两弹簧测力计将弹簧末端拉到同一位置O，记录细绳套AO、BO的方向及两弹簧测力计相应的读数．图中B弹簧测力计的读数为________N.‎ c．小白在坐标纸上画出两弹簧拉力FA、FB的大小和方向如图所示，请你用作图工具在图中坐标纸上作出FA、FB的合力F′.‎ d．已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力F如图所示．‎ e．最后观察比较F和F′，得出结论．‎ ‎(2)本实验采用的科学方法是________.‎ A．理想实验法 B．控制变量法 C．等效替代法 D．建立物理模型法 解析：(1)b.图中B弹簧测力计的读数为11.40 N；‎ c．如图：‎ 答案：(1)b.11.40c．见解析图(2)C ‎4．请完成“验证力的平行四边形定则”实验的相关内容．‎ ‎(1)如图甲所示，在铺有白纸的水平木板上，橡皮条一端固定在A点，另一端拴两个细绳套．‎ ‎(2)如图乙所示，用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条，使绳与橡皮条的结点伸长到某位置并记为O点，记下此时弹簧测力计的示数F1和F2及___________________________．‎ ‎(3)如图丙所示，用一个弹簧测力计拉橡皮条，使绳与橡皮条的结点拉到O点，记下此时弹簧测力计的示数F＝________ N和细绳的方向．‎ ‎(4)如图丁所示，已按一定比例作出了F1、F2和F的图示，请用作图法作出F1和F2的合力．‎ ‎(5)合力与F大小相等，方向略有偏差，如果此偏差仅由F1引起，则原因是F1‎ 的大小比真实值偏________、F1与F2的夹角比真实夹角偏________.(选填“大”或“小”)‎ 解析：(2)要记下两分力F1和F2的方向．‎ ‎(3)弹簧测力计的示数要估读一位，即F＝3.00 N.‎ ‎(4)由力的图示作出F1和F2的合力F′，如图所示．‎ ‎(5)由丁图知，将F1减小或减小F1与F的夹角，合力F′与F更接近重合，则原因是F1的大小比真实值偏大、F1与F2的夹角比真实夹角偏大．‎ 答案：(2)两细绳的方向(3)3.00(4)见解析图 ‎(5)大大 热点三实验拓展与创新 ‎[核心提炼]‎ 创新点 创新方案 实验 器材 实验 方案 合力、分力的变化 ‎(1)分力的获得：弹簧测力计的拉力→钩码的重力 ‎(2)合力的获得：弹簧测力计的拉力→重物的重力→钩码的重力 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例3]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．‎ ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________‎ ‎[思路分析]本实验利用了三力平衡的特点来验证力的平行四边形定则，实验时没有必要每次都使O点静止在同一位置，这与原有的等效替代实验原理不同．‎ ‎[解析](1)弹簧测力计A的最小刻度值为0.2 N，读数为3.6 N.‎ ‎(2)根据三力平衡的特点可知，弹簧测力计A、B的拉力的合力与重物M的重力等大反向，故A项是必要的．弹簧测力计的零点误差影响各拉力的测量值，所以使用前需校零，B项是必要的．只有拉线方向与木板平面平行，才能保证所研究的各力在同一平面内，C项也是必要的．实验中只需测出两拉力的大小和方向以及重物的重力即可验证平行四边形定则，而测力计A的拉力不同时O点的位置就不同，故没必要使O点静止在同一位置，答案为D.‎ ‎(3)弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，说明拉弹簧测力计A的力大了，可行的解决方法有：①改变弹簧测力计B拉力的大小或方向；②减小重物M的质量(或将A更换成较大量程的弹簧测力计)．‎ ‎[答案](1)3.6(2)D(3)见解析 ‎[题组巩固]‎ ‎5．(2019·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．‎ ‎(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和水壶杯带上．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同一水平位置上，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，则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，力的方向也都不能变化，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′在误差允许范围内重合 ‎6．某同学利用下图所示的装置验证力的平行四边形定则：在竖直木板的表面上铺白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，将绳子打一个结点O，每个钩码的质量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子中的拉力F1、F2和F3，回答下列问题．‎ ‎(1)改变钩码的个数，能完成实验的是________.‎ 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，还有一个重要的步骤是___________________________．‎ 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________(选填“甲”或“乙”)是正确的．‎ 解析：(1)由题图可以看出，F1和F2是“分力”，F3是“合力”．根据合力与分力的关系可知，F1、F2和F3必须满足|F1－F2|≤F3≤|F1＋F2|；因为实验中的点A和点B是不同的两点，所以AO、BO两绳不可能同时处于竖直状态，即|F1－F2|

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