2021版浙江新高考选考物理一轮复习教师用书：4实验微讲座1　2实验二　探究求合力的方法

实验二　探究求合力的方法

一、实验目的

1．会使用弹簧测力计．

2．验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则．

二、实验原理

1．等效法：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以一个力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的图示，如图所示．

2．平行四边形法：根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示．

3．验证：比较F和F′的大小和方向是否相同，若在误差允许的范围内相同，则验证了力的平行四边形定则．

三、实验器材

方木板，白纸，弹簧测力计(两只)，橡皮条，细绳套(两个)，三角板，刻度尺，图钉(几个)．

四、实验步骤

1．用图钉把白纸钉在水平桌面的方木板上．

2．用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套．

3．用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长到某一位置O.用铅笔描下O点的位置和两条细绳套的方向，并记录弹簧测力计的读数．注意在使用弹簧测力计的时候，要使它的弹簧与木板平面平行．

4．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．

5．改变两弹簧测力计拉力的大小和方向，再重做两次实验．

五、数据处理

1．用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合力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4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．

六、注意事项

1．使用弹簧测力计前，要先观察指针是否指在零刻度处，若指针不在零刻度处，要设法调整指针，使之指在零刻度处．再将两个弹簧测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，如果两个示数相同方可使用．

2．实验中的两个细绳套不要太短．

3．在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同．

4．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．

5．在用力拉弹簧测力计时，拉力应沿弹簧测力计的轴线方向．弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内．要防止弹簧测力计卡壳，防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦．

6．在同一实验中，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．

七、误差分析

1．弹簧测力计本身不够准确造成系统误差．

2．弹簧测力计读数和作图不准造成偶然误差．

　对实验原理和操作的考查

【典题例析】

　(2020·湖州调研)在“探究求合力的方法”时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上带有绳套的两根细绳．实验时，需要两次拉伸橡皮条，一次是通过两细绳套用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条，另一次是用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮条．

(1)实验对两次拉伸橡皮条的要求中，下列说法正确的是________(填字母代号)．

A．将橡皮条拉伸相同长度即可

B．将橡皮条沿相同方向拉到相同长度

C．将弹簧测力计都拉伸到相同刻度

D．将橡皮条与绳的结点拉到相同位置

(2)同学们在操作过程中有如下议论，其中对减小实验误差有益的说法是________(填字母代号)．

A．两细绳必须等长

B．弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行

C．用两弹簧测力计同时拉细绳时两弹簧测力计示数之差应尽可能大

D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些

(3)本实验采用的科学方法是________(填字母代号)．

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)本实验的目的是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，故A错误，B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，而弹簧测力计不必拉到相同刻度，故C错误，D正确．

(2)通过两细绳用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条时，并非要求两细绳等长，故A错误；测量力的实验要求尽量准确，为了减小实验中因摩擦造成的误差，操作中要求弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行，故B正确；用弹簧测力计同时拉细绳时，拉力不能太大，也不能太小，故C错误；为了更加准确的记录力的方向，拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，故D正确．

(3)该实验采用的方法为等效替代法，故选C.

[答案]　(1)BD　(2)BD　(3)C

　如图是“探究求合力的方法”的实验示意图．图甲表示在两个拉力F1、F2的共同作用下，将橡皮条的结点拉长到O点；图乙表示准备用一个拉力F拉橡皮条．下列说法正确的是(　　)

A．甲中两个拉力的大小应相等

B．甲中两个拉力的方向应互相垂直

C．乙中只需使橡皮条的伸长量与甲中相等

D．乙中仍需将橡皮条的结点拉到O点

解析：选D.甲中两个拉力的大小不一定相等，选项A错误；甲中两个拉力的方向不一定互相垂直，选项B错误；乙中仍需将橡皮条的结点拉到O点，仅伸长量与甲中相等不能满足要求，选项C错误，选项D正确．

　对实验数据处理的考查

【典题例析】

　(2020·舟山质检)橡皮条的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计．沿着两个不同的方向拉弹簧测力计．当橡皮条的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图所示，这时弹簧测力计的读数可从图中读出．

(1)由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为________N和________N．(要求读到0.1 N)

(2)在图中的虚线方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力．

[解析]　读弹簧测力计示数时，应注意先找零刻度线，尤其是竖直放置的那个弹簧测力计，它的读数是2.5 N(而不是3.5 N)，水平放置的弹簧测力计读数是4.0 N.

[答案]　(1)4.0　2.5(或2.5　4.0)

(2)如图所示(合理即可)

　(2020·浙江名校联考)小明通过实验验证力的平行四边形定则．

(1)实验记录纸如图甲所示，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．实验装置如图乙所示，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拉动 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．

两次实验记录的轨迹如图丙所示. 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 时所受水平拉力 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有________. (选填选项前的字母) 

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．

解析：(1)作出的图示如图1所示．

(2)重物受力情况如图2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)根据题图丙可知，选项B、D正确，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．

答案：(1)见解析图(F合＝4.60～4.90 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)

1．(2020·宁波高二期中)小丽用如图所示的装置“探究求合力的方法”．用一木板竖直放在铁架台和弹簧所在平面后，其部分实验操作如下，请完成下列相关内容：

(1)如图甲所示，在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O；

(2)卸下钩码然后将两绳套系在弹簧末端，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________及两弹簧测力计相应的读数，图乙中B弹簧测力计的读数为________ N(保留2位小数)；

(3)小丽在坐标纸上画出两弹簧拉力FA、FB的大小和方向如图丙所示，请你用作图工具在图丙中作出FA、FB的合力F′；

(4)已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力F如图丙所示；

(5)最后观察比较F和F′，得出结论．

解析：根据“探究求合力的方法”的实验原理，要记录细绳套AO、BO的方向和拉力大小，拉力大小由弹簧测力计读出，分度值为0.1 N，估读一位：11.40 N．利用平行四边形定则作出FA、FB的合力F′，如图所示．

答案：(2)方向　11.40　(3)见解析图

2．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．

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

解析：(1)由题图知，弹簧测力计A的分度值为0.2 N，读数为3.6 N.

(2)验证力的平行四边形定则，一定要记好合力与两分力的大小与方向，与结点位置无关，D错；M的重力即合力，A对；测量前弹簧测力计调零才能测量准确，B对；拉线与木板平行才能保证力在平行于木板平面的同一平面内，C对．

(3)对O点受力分析如图所示，可见若要减小FOA可通过调节FOB的大小或方向，或减小物重G等．

答案：(1)3.6　(2)D　(3)①减小弹簧测力计B的拉力；②减小重物M的质量(或改变弹簧测力计B拉力的方向等)

3．(2020·舟山质检)有同学利用如图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F1、F2和F3，回答下列问题：

(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，你认为图中________是正确的(选填“甲”或“乙”)．

解析：(1)实验中的分力与合力的关系必须满足：|F1－F2|<F3<F1＋F2，因此B、C、D选项是可以的．(3)甲图正确，实验中F3是竖直向下的．

答案：(1)BCD　(2)A　(3)甲

4．某同学在做“互成角度的两个力的合成”的实验时，利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置O点以及两只弹簧测力计拉力的大小和方向，如图(a)所示．

(1)试在图(a)中作出无实验误差情况下F1和F2的合力图示，并用F表示此力．

(2)有关此实验，下列叙述正确的是________．

A．两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大

B．橡皮筋的拉力是合力，两弹簧测力计的拉力是分力

C．两次拉橡皮筋时，需将橡皮筋结点拉到同一位置O，这样做的目的是保证两次弹簧测力计拉力的效果相同

D．若只增大某一只弹簧测力计的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变，只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可

(3)如图(b)所示是甲和乙两位同学在做以上实验时得到的结果，其中哪一个比较符合实验事实？(力F′是用一只弹簧测力计拉时的图示)

________________________________________________________________________.

解析：(1)以F1、F2为邻边作平行四边形，其对角线OF即为所求的合力(如图所示)．

(2)两只弹簧测力计的拉力与橡皮筋的拉力的合力为零，它们之间不是合力与分力的关系，B错误；结点位置不变，合力不变，当一只弹簧测力计的拉力大小改变时，另一只弹簧测力计的拉力的方向必改变，故D错误；正确的选项只有A、C.

(3)用平行四边形定则求出的合力可以与橡皮筋拉力的方向有偏差，但用一只弹簧测力计拉结点的拉力与橡皮筋拉力一定在同一直线上，故甲同学实验得到的结果符合实验事实．

答案：见解析

5．(2020·南通市教学质量检测)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，取g＝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)，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：________________________________________________________________________.

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线中的拉力，选项A正确；该装置每次实验不需要保证结点位于O点，选项B错误；实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向，选项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，选项D错误．

(2)利用平行四边形定则作出F1和F2的合力F.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．

答案：(1)AC　(2)如解析图所示　定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等(回答出一项合理答案即可)