2020版物理浙江高考选考一轮复习讲义：必修1第二章实验2探究求合力的方法

实验2　探究求合力的方法

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用弹簧秤测拉力时要使拉力沿弹簧秤轴线方向。

②应尽量使橡皮条、弹簧秤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。

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)等。

热点一　教材原型实验

【例1】　某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验如图1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1

(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________________________________________________________________。

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，故选项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。

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”

热点二　实验创新拓展

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

【例2】　(2018·昆明市教学质量检测)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2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克，取g＝9.8 m/s2。

图2

(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，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)

1.(2018·浙江模拟卷7)在竖直平面内，将小圆环挂在橡皮条的下端，橡皮条的长度为GE。用两个弹簧测力计拉动小圆环到O点，小圆环受到作用力F1、F2和橡皮条的拉力F0，如图3所示。

图3

(1)此时要记录下拉力F1、F2的大小，并在白纸上记录________，以及O点的位置。

(2)实验中，不必要的是________。

A.选用轻质小圆环

B.弹簧测力计在使用前应校零

C.撤去F1、F2，改用一个力拉小圆环，仍使它处于O点

D.用两个弹簧测力计拉动小圆环时，要保持两弹簧测力计相互垂直

(3)图4中F是用一个弹簧测力计拉小圆环时，在白纸上根据实验结果画出的图示。F与F′中，方向一定沿GO方向的是________。

图4

解析　(1)力是矢量，既有大小，又有方向，因此除了需要记录拉力F1、F2的大小，还要记录这两个力的方向。

(2)本实验的目的是探究求合力的方法，因此应是任意情况下的两个力与合力的关系，故选项D错误；选用轻质小圆环是为了减小水平方向偏移的误差；合力与分力之间是等效替代的关系，撤去F1、F2，改用一个力拉小圆环，仍使它处于O点，以确保等效；弹簧测力计在使用前校零，是为了使读数准确，故选项A、B、C是必要的。

(3)当用一个弹簧测力计拉小圆环时，因圆环为轻质小圆环，故弹簧测力计的拉力与橡皮条的拉力平衡，其方向一定与橡皮条的拉力方向相反，即一定沿GO方向的是F。

答案　(1)两个力的方向　(2)D　(3)F

2.某同学在家中尝试“验证平行四边形定则”，他找到三条相同的橡皮筋(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分别挂在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物。

(1)完成该实验，下述操作中必需的是________。

A.测量细绳的长度

B.测量橡皮筋的原长

C.测量悬挂重物后橡皮筋的长度

D.记录悬挂重物后结点O的位置

(2)钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是______________________________________________________________________

______________________________________________________________________

_____________________________________________________________________。

解析　(1)三条相同的橡皮筋，具有相同的劲度系数，故三条橡皮筋的形变量的大小关系代表了三条橡皮筋承受的力的大小关系，故必需B、C项；A、B两点固定，O点的位置则决定了三个力的方向(因绳中的力恒沿绳的方向)，故必需D项。

(2)最简便的方法是：更换不同的小重物。若没有“钉子位置固定”的话，改变A、B钉的位置亦可。

答案　(1)BCD　(2)更换不同的小重物

3.(1)在“探究求合力的方法”实验中，我们需要对使用的两只弹簧测力计进行校对，看两只弹簧测力计是否完全相同，校对的方法是________(填正确答案标号)。

A.看两只弹簧测力计的外形是否一样，是否由同一厂家生产

B.把两只弹簧测力计的钩子互钩着水平地拉动，看两者示数是否完全相同

C.把两只弹簧测力计的钩子互钩着一上一下竖直地拉动，看两者示数是否完全相同

D.把两只弹簧测力计的钩子互钩着，任意地拉动，看两者示数是否完全相同

(2)在“ 探究求合力的方法”实验中，下列做法有利于减小误差的是________(填正确答案标号)。

A.F1、F2两个力的夹角尽可能大一些

B.F1、F2两个力越大越好

C.在拉橡皮条时，弹簧测力计的外壳不要与纸面接触，产生摩擦

D.拉力F1、F2的方向应与纸面平行，弹簧及钩子不与弹簧测力计的外壳及纸面接触，产生摩擦

解析　(1)考虑到重力的影响，两只弹簧测力计校对的方法是，把两只弹簧测力计的钩子互钩着水平地拉动，看两者示数是否完全相同，故B正确，A、C、D错误。

(2)画平行四边形时，夹角稍大画出的平行四边形就会准些，但不是夹角越大越好，如果夹角很大可能使合力很小，作图法求得的合力误差会较大，A错误；数据处理时我们需要画出力的大小和方向，所以力要适当大些可减小测量误差对实验的影响，但是并非越大越好，如果太大可能导致合力太大，只用一只弹簧测力计拉时，量程不够，B错误；弹簧测力计的外壳与纸面接触没有影响，只要弹簧不与外壳摩擦即可，C错误；在白纸中作图时，作出的是水平力的图示，若拉力倾斜，则作出图的方向与实际力的方向有较大差别，再者由于摩擦测得的力的大小也不准，故为了减小因摩擦造成的误差，应使各力尽量与木板面平行，D正确。

答案　(1)B　(2)D

4.在“探究求合力的方法”实验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮条的一端固定在板上一点，两个细绳套系在橡皮条的另一端。用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套，互成角度地施加拉力，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，如图5所示。请将以下的实验操作和处理补充完整：

图5

①用铅笔描下结点位置，记为O；

②记录两个弹簧测力计的示数F1和F2，沿每条细绳(套)的方向用铅笔分别描出几个点，用刻度尺把相应的点连成线；

③只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置O，记录测力计的示数F3，__________________________________________________________

___________________________________________________________________；

④按照力的图示要求，作出拉力F1、F2、F3；

⑤根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F；

⑥比较________的一致程度，若有较大差异，对其原因进行分析，并作出相应的改进后再次进行实验。

解析　③此步骤中应记录此时拉力的大小和方向，结合②的操作，③中横线应填写：沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线。⑥要探究求合力的方法，需要比较F与F3的大小，方向是否一致，故⑥中横线应填写F和F3。

答案　③沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线　⑥F和F3

5.如图6甲是“探究求合力的方法”的实验装置。实验操作如下：

图6

(1)弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M，测量________并记录为F。

(2)弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端水平向左拉，使结点O静止在某位置(如图甲)，此时需记下结点O的位置和两测力计的示数F1、F2以及________。

(3)某同学已在图乙纸上作出F1、F2的图示，请根据力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F′。

(4)改变两细线的夹角，重复做几次实验。若F′的方向近似在________方向上，且大小近似等于F，则平行四边形定则得以验证。

解析　(1)两个弹簧测力计的合力等于悬挂重物的重力，需要先测量出悬挂重物M的重力。

(2)记录下细线Oa、Ob、Oc的方向作为两个弹簧测力计拉力和悬挂重物重力的方向。

(4)F′方向与悬挂重物的重力方向应该在同一直线上，即竖直方向。

答案　(1)M(重物)的重力　(2)细线Oa、Ob、Oc的方向(或三段细线的方向)　(3)如图所示　(4)竖直