高中物理鲁科版 (2019)必修 第一册第1节 科学探究:力的合成同步训练题

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角度1 实验原理和实验操作
【典例1】某实验小组用橡皮条与弹簧测力计验证“力的平行四边形定则”,实验装置如图甲所示,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。
(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N,图甲中弹簧测力计的示数为____________ N。
(2)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。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合
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合′的图示
F.比较F合′和F合的大小和方向,看它们是否相同,得出结论
上述步骤中:有重要遗漏的步骤的序号和遗漏的内容分别是____________和____________。
(3)实验中,下列要求不必要的是____________。(请填写选项前对应的字母)
A.实验前测量橡皮条原长
B.弹簧测力计应在使用前校零
C.拉力方向应与木板平面平行
D.多次重复实验时,每次都要使结点O在同一位置
E.实验过程中橡皮条与弹簧测力计都不能超过弹性限度
(4)根据实验结果作出力的图示如图乙所示,在图乙中用一只弹簧测力计拉橡皮条时拉力的图示为____________;它的等效力是____________。
【解析】(1)1 N被分为10格,每小格表示0.1 N,读数时需估读到分度值下一位,故读数为4.10 N。
(2)本实验为了验证力的平行四边形定则,采用的方法是作力的图示法,作出合力的理论值和实际值,然后进行比较,得出结果。所以,实验时,除记录弹簧测力计的示数外,还要记下两条细绳的方向,以便确定两个拉力的方向,这样才能作出拉力的图示。步骤C中未记下两条细绳的方向;步骤E中未说明把橡皮条的结点拉到位置O。
(3)选A、D。实验中不需要测量橡皮条的原长,故A不必要;弹簧测力计是测出力的大小,所以要准确,必须在测之前校零,故B必要;拉力方向必须与木板平面平行,这样才能确保力的大小准确性,故C必要;结点O拉到同一位置是针对同一次实验中,并不是多次实验时,结点都要拉到同一位置,故D不必要;为了实验安全,橡皮条和弹簧测力计不能超过弹性限度,故E必要。
(4)由图乙可知,力F沿对角线方向,为两分力的合力的理论值,F′沿橡皮条方向,为用一只弹簧测力计拉橡皮条时的拉力,其等效力为F。
答案:(1)4.10 (2)步骤C中未记下两条细绳的方向 步骤E中未说明把橡皮条的结点拉到位置O (3)A、D (4)F′ F
角度2 实验数据处理
【典例2】某同学在做验证互成角度的两个力合成的平行四边形定则实验时,把橡皮条的一端用图钉固定于P点,同时用两个弹簧测力计将橡皮条的另一端拉到位置O。这时两弹簧测力计的示数分别为FA=3.5 N、FB=4.0 N,其位置记录如图甲所示。倘若橡皮条的活动端仅用一个弹簧测力计拉着,也把它拉到O点位置,弹簧测力计的示数为FC=6.0 N,其位置如C。
(1)用0.5 cm表示1 N,在图乙中作出力FA、FB和FC的图示并根据平行四边形定则在图乙中作出FA和FB的合力F。
(2)F的大小为____________ N。
(3)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
【解析】(1)根据力的图示,如图所示;
(2)根据平行四边形定则作出FA和FB的合力F,如图所示,由图示可求得合力:F=5.6 N。
(3)实验中,要求先后两次力的作用效果相同,指的是橡皮条沿同一方向伸长同一长度。故A、B、C错误,D正确。
答案:(1)见解析图 (2)5.6 (3)D
类型二 创新型实验
【典例3】某同学利用如图甲所示的装置验证力的平行四边形定则。在竖直放置、贴有白纸的木板上固定有两个轻质小滑轮,细线AB和OC连结于O点,细线AB绕过两滑轮,D、E是细线与光滑滑轮槽的两个切点,在细线末端A、B、C三处分别挂有不同数量的相同钩码,设所挂钩码个数分别用N1、N2、N3表示,挂上适当数量的钩码,当系统平衡时进行相关记录,改变所挂钩码的数量,重复进行多次实验。
(1)下列关于本实验操作的描述,正确的有____________。
A.需要利用天平测出钩码的质量
B.∠EOD不宜过大
C.两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上
D.每次实验都应使细线的结点O处于同一位置
(2)每次实验结束后,需要记录的项目有N1、N2、N3的数值和_______________。
(3)该同学利用某次实验结果在白纸上绘制了如图乙所示的实验结果处理图,则根据你对本实验的理解,要验证力的平行四边形定则,还需要对该图做出如下完善:
_______________________________________________________________。
【解析】(1)用钩码的个数可以代表拉力的大小,因此不需要测量钩码的质量,故A错误;∠EOD若太大,导致其合力较小,增大了误差,故∠EOD不宜过大,故B正确;只要便于记录通过滑轮的力的方向即可,两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上,故C正确;该题应用了物体的平衡来探究力的平行四边形定则,不需要每次实验都使细线的结点O处于同一位置,故D错误。
(2)为验证平行四边形定则,必须作受力图,所以先明确受力点,即标记结点O的位置,其次要作出力的方向并读出力的大小,最后作出力的图示,因此要做好记录,是从力的三要素角度出发,要记录钩码的个数和记录OC、OD和OE三段细线的方向。
(3)本实验是要验证力的平行四边形定则,故应将由平行四边形定则得出的合力,与真实的合力进行比较而去判断平行四边形定则得出的结果是否正确,由图乙可知,要验证平行四边形定则,还需要过O点作出与FOC等大反向的力F′。
答案:(1)B、C (2)OC、OD、OE三段细线的方向
(3)过O点作出与FOC等大反向的力F′
【创新探究】
(1)本例题的实验原理与教材实验的原理是否相同?若是,它们分别怎样测量合力的大小和方向?
提示:相同。教材中直接用弹簧测力计二次测量,使两次测量都达到相同的效果(使结点都伸长到O点);本例题中的合力直接与C处所挂的钩码的重力等大反向。
(2)本实验与教材实验相比,本实验的优点是什么?
提示:没有使用弹簧测力计测力的大小,而是用钩码的重力作为绳的拉力,同时用两个光滑的滑轮调节两绳拉力的方向。减小了由弹簧测力计本身带来的系统误差,也减小了测量过程中的偶然误差。