2022-2023年高考物理一轮复习 第2章物体间的相互作用实验3验证力的平行四边形定则课件

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一、实验目标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．二、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．
三、实验器材木板1块、白纸、图钉若干、橡皮条1段、细绳套(两个)、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺、铅笔等．四、实验步骤1．仪器安装(1)用图钉把白纸钉在水平桌面上的木板上．(2)用图钉把橡皮条的一端固定在A点，如图甲所示，橡皮条的另一端拴上两个细绳套．
2．测量与记录(1)用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置O．记录两弹簧测力计的读数F1、F2，用铅笔描下O点的位置及此时两细绳的方向．(2)只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O．记下弹簧测力计的读数F′和细绳套的方向．(3)改变两弹簧测力计拉力的大小和方向，再重做两次实验．
3．数据处理(1)用铅笔和刻度尺从力的作用点(位置O)沿着两绳套的方向画直线，按选定的标度作这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，利用刻度尺和三角板以F1和F2为邻边作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，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实验步骤中弹簧测力计的拉力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．
五、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，读数相同．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．实验时弹簧测力计应与木板平行，读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度，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．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．
六、误差分析1．用描点法记录的拉力方向不够准确．2．所作平行四边形的对边不严格平行．3．拉橡皮条时，没有做到橡皮条及两细绳套平行于木板，使在纸下的拉力方向并不是拉力的真实方向．4．没有校准弹簧测力计的零点，两只弹簧测力计的刻度不准确．5．弹簧的拉杆与限位孔有摩擦，使弹簧测力计读数不能真实表示拉力的大小．
命题点一　教材标准实验变形
考查点1　实验步骤和误差分析例1　探究“互成角度的两个力的合成”实验情况如图所示，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，第一次用两只弹簧测力计同时拉OB和OC，第二次只用一只弹簧测力计拉OB．
(1)下列说法正确的是______(填字母代号)．A．必须将弹簧测力计都拉伸到相同刻度B．只要将橡皮条拉伸相同长度即可C．需要及时记录下拉力的大小和方向D．必须将橡皮条和绳的结点O拉到相同位置
(2)完成该实验的下列措施中，能够减小实验误差的是______(填字母代号)．A．拉橡皮条的绳细一些并且长一些B．标记同一细绳方向的两点尽量近一些C．使拉力F1和F2的夹角尽量等于90°D．拉橡皮条时，弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板面平行【答案】(1)CD　(2)AD
【解析】(1)本实验的目的是为了验证力的平行四边形定则，即研究合力与分力的关系．根据合力与分力是等效的，本实验橡皮条两次沿相同方向拉伸的长度要相同，A、B错误；要作出力的图示，所以要记录力的大小和方向，C正确；在白纸上标下第一次橡皮条和绳的结点的位置，第二次将橡皮条和绳的结点拉到相同位置，表明两次效果相同，即两个拉力和一个拉力等效，而弹簧测力计不必拉到相同刻度，D正确．
(2)两根细线应适当长些，便于减小力的方向测量的误差，A正确；为了更加准确地记录力的方向，拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，B错误；两拉力之间的夹角不宜过小，以60°～100°为宜，C错误；本实验是通过在白纸上作力的图示来验证平行四边形定则，为了减小实验误差，弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行，否则，作出的是拉力在纸面上的分力，误差较大，D正确．
考查点2　实验数据分析例2　在互成角度的两个共点力的合成实验中，其中的三个实验步骤如下：①在水平放置的木板上垫一张白纸，把橡皮条的一端固定在木板上，另一端拴两根细线，通过细线同时用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条，使它与细线的结点到达某一位置O点，在白纸上记下O点和两弹簧测力计的读数F1和F2；
②在纸上只根据F1和F2的大小，应用平行四边形定则作图求出合力F′；③只用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条，使它的伸长量与用两个弹簧测力计同时拉时相同，记下此时弹簧测力计的读数F及方向．
(1)以上三个步骤均有错误或疏漏：①中是______________；②中是_____________；③中是____________．(2)甲、乙两图是两位同学做“互成角度的两个力的合成”实验时得到的结果．他们分别得到使橡皮条和细线的结点拉到O点时所需的两个力F1、F2及只用一个力时的F，并用平行四边形定则画出了F1和F2的合力F′，则两人处理实验结果正确的是______________．
【答案】(1)①应记下两个细线的方向即F1和F2的方向②应依据F1和F2的大小和方向作图③应将橡皮条与细线的结点拉至同一位置O点(2)乙【解析】(1)该实验采用“等效法”进行，即一个弹簧测力计和两个弹簧测力计拉橡皮条与细线的结点时应该拉至同一位置O点，由于力是矢量，因此在记录数据时，不光要记录力的大小，还要记录其方向，这样才能作平行四边形，从而验证两个力的合力大小和方向是否与一个力时的大小和方向相同．
三个步骤均有错误或疏漏：①中是应记下两个细线的方向即F1和F2的方向；②中是应依据F1和F2的大小和方向作图；③中是应将橡皮条与细线的结点拉至同一位置O点．(2)由于误差的存在用平行四边形定则求出的合力F′可以与橡皮条拉力F有偏差，但用一个弹簧测力计拉结点的拉力即F与橡皮条拉力一定在同一直线上，F1和F2的合力理论值F′一定在平行四边形的对角线上，故乙符合实验事实．
考查点3　实验操作和科学方法例3　“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和OC为细绳．图乙是在白纸上根据实验结果画出的图．
(1)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)某同学在做该实验时认为：A．拉橡皮条的细绳长一些，实验效果较好B．拉橡皮条时，弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行C．橡皮条弹性要好，拉结点到达某一位置O时，拉力要适当大些，且拉力F1和F2的夹角越大越好D．在实验中O点位置不能变E．细绳可以用弹性绳代替其中不正确的是____________(填入相应的字母)．【答案】(1)F′　(2)B　(3)C
命题点二　实验创新迁移创新角度1　实验器材的改进例4　某学生实验小组设计了一个“验证力的平行四边形定则”的实验，装置如图甲所示，在竖直放置的木板上部附近两侧，固定两个力传感器，同一高度放置两个可以移动的定滑轮，两根细绳跨过定滑轮分别与两力传感器连接，在两细绳连接的结点O下方悬挂钩码，力传感器1、2的示数分别为F1、F2，调节两个定滑轮的位置可以改变两细绳间的夹角．实验中使用若干相同的钩码，每个钩码质量均为100 g，g取9.8 m/s2．
(1)关于实验，下列说法正确的是(　　)A．实验开始前，需要调节木板使其位于竖直平面内B．每次实验都必须保证结点位于O点C．实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三条细绳的方向D．实验时还需要用一个力传感器单独测量悬挂于O点钩码的总重力
(2)根据某次实验得到的数据，该同学已经按照力的图示的要求画出了F1、F2(如图乙所示)，请你作图得到F1、F2的合力F(只作图，不求大小)，并写出该合力不完全竖直的一种可能原因：____________ ______________．
【答案】 (1)AC　(2)如图　定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等(合理即可)
【解析】(1)实验开始前，需要调节木板使其位于竖直平面内，以保证钩码重力等于细绳的拉力，A正确；该装置每次实验不需要保证结点位于O点，B错误；实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三条细绳的方向，C正确；悬挂于O点钩码的总重力可以根据钩码的质量得出，不需要力传感器测量，D错误．(2)利用平行四边形定则作出F1和F2的合力F，如图所示，该合力方向不完全在竖直方向的可能原因是定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等．
创新角度2　实验设计迁移例5　某实验小组用一个弹簧测力计和一个量角器等器材验证力的平行四边形定则，设计了如图所示的实验装置，固定在竖直木板上的量角器的直边水平，橡皮筋的一端固定于量角器的圆心O的正上方A处，另一端系绳套1和绳套2，主要实验步骤如下：
(1)弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达O点处，记下弹簧测力计的示数F．(2)弹簧测力计挂在绳套1上，手拉着绳套2，缓慢拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达O处，此时绳套1沿0°方向，绳套2沿120°方向，记下弹簧测力计的示数F′．(3)根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力为__________．(4)比较__________即可初步验证．(5)只改变绳套2的方向，重复上述实验步骤．
(6)将绳套1由0°方向缓慢转动到60°方向，同时绳套2由120°方向缓慢转动到180°方向，此过程中保持橡皮筋的结点在O处不动，保持绳套1和绳套2的夹角120°不变，关于绳套1的拉力大小的变化，下列结论正确的是______．(填选项前的序号)A．逐渐增大B．先增大后减小C．逐渐减小D．先减小后增大
(6)两个绳套在缓慢转动过程中，合力保持不变，根据平行四边形定则画出力的示意图，如图所示，根据几何关系可知，绳套1的拉力大小逐渐增大．
例6　某课外兴趣小组用如图甲所示的装置进行“验证力的平行四边形定则”实验，实验中使用的每个钩码的质量均相同．先用两组钩码(一组4个钩码，一组3个钩码)拉弹簧使其伸长至某个位置O′，并记录；然后再用一根细线牵引一组钩码拉弹簧．
(1)本实验采用的物理方法是________法，完成该实验最关键的步骤是______________．(2)某同学在坐标纸上画出了如图乙所示的两个已知力F1和F2，图中小正方形的边长表示3 N，则两力的合力F＝________N，F1与F的夹角为θ＝________．(3)当再用一根细线牵引一组钩码拉弹簧时，所需的钩码一定不会超过__________个．【答案】(1)等效替代　第二次也要把弹簧拉到O′处(2)18　45°　(3)7
【解析】(1)合力与分力是等效替代的关系，所以本实验采用的物理方法是等效替代法；完成该实验最关键的步骤是第二次也要把弹簧拉到O′处．(2)根据力的平行四边形定则，作出两个力的合力如图所示，从图中可以知道，合力F＝18 N，根据几何关系知F1与F的夹角为θ＝45°．