高中物理创新设计第二章相互作用实验三验证力的平行四边形定则.docx

高中物理创新设计第二章相互作用实验三验证力的平行四边形定则.docx

《高中物理创新设计第二章相互作用实验三验证力的平行四边形定则.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理创新设计第二章相互作用实验三验证力的平行四边形定则.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高中物理创新设计第二章相互作用实验三验证力的平行四边形定则

实验三　验证力的平行四边形定则

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，选定的标度要相同。

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”

【变式训练1】　完成以下“验证力的平行四边形定则”实验的几个主要步骤：

图2

（1）如图2甲，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，记下结点O的位置、两弹簧测力计的读数F1、F2以及两细绳套的方向。

（2）如图乙，用一只弹簧测力计钩住细绳套把橡皮条的结点拉到________，记下细绳套的方向（如图丙中的c），读得弹簧测力计的示数F＝________。

（3）如图丙，按选定的标度作出了F1、F2的图示，请在图丙中：

①按同样的标度作出力F的图示；

②按力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F′。

（4）若F′与F_______________________，则平行四边形定则得到验证。

解析　

（2）如题图乙，用一只弹簧测力计钩住细绳套把橡皮条的结点拉到同一位置O，记下细绳套的方向，由图示弹簧测力计可读得弹簧测力计的示数F＝4.0N。

（3）①作出力F的图示如图所示。

②根据力的平行四边形定则，作出F1、F2的合力F′，如图所示。

（4）若有F′与F在误差范围内大小相等，方向相同，则平行四边形定则得到验证。

答案　

（2）同一位置O　4.0N　（3）见解析　（4）在误差范围内大小相等，方向相同

热点二　实验拓展创新

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3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＝9.8m/s2。

图3

（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）

【变式训练2】　某实验小组用一支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4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：

图4

（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

解析　在用两个力拉绳套时，由于夹角为120°，根据平行四边形定则，由几何知识可得绳套1的拉力为

F，只需从弹簧秤读数上验证F′和

F是否相等即可。

两个绳套在转动过程中，合力保持不变，根据平行四边形定则画出图象，如图所示，根据图象可知，绳套1的拉力大小逐渐增大。

答案　（3）

F　（4）F′和

F　（6）A

1.（2017·河南模拟）某同学找到一条遵循胡克定律的橡皮筋并利用如下实验器材验证平行四边形定则：

刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子、质量不同的小重物若干、木板。

实验方案如下：

　甲　　　　　乙

图5

①将橡皮筋的两端分别与两条细绳相连，测出橡皮筋的原长；

②将橡皮筋一端细绳用钉子固定在竖直木板上的A点，在橡皮筋的中点O用细绳系住重物，使重物自然下垂，如图5甲所示；

③将橡皮筋的另一端细绳固定在竖直木板上的B点，如图乙所示。

（1）为完成本实验，下列还必须测量的物理量为______。

（填选项前字母）

A.小重物的质量

B.细绳的长度

C.图甲中OA段橡皮筋的长度

D.图乙中OA和OB段橡皮筋的长度

（2）在完成本实验的过程中，必须注意的事项是________。

（填选项前字母）

A.橡皮筋两端连接的细绳长度必须相同

B.图乙中A、B两点必须等高

C.图乙中连接小重物细绳必须在OA、OB夹角的角平分线上

D.记录图甲中O点的位置和OA的方向

E.记录图乙中O点的位置和OA、OB的方向

（3）若钉子位置固定，利用现有器材改变实验效果，可采用的方法是__________。

解析　

（1）橡皮筋遵循胡克定律，要测量拉力可以通过测量橡皮筋的长度和原长，得到橡皮筋的伸长量，根据拉力大小与伸长量成比例作力的图示。

故选C、D。

（2）橡皮筋连接的细绳要稍微长些，并非要求等长，A错误；图乙中A、B两点不用必须等高，B错误；图乙中连接小重物的细绳可以在OA、OB夹角的角平分线上，也可以不在，C错误；图甲中O点的位置和OA的方向不需要记录，D错误；需要记录图乙中O点的位置和OA、OB的方向，E正确。

（3）在钉子位置不变的情况下，要改变实验效果，只有改变小重物的质量。

故可采用的方法是更换小重物。

答案　

（1）CD　

（2）E　（3）更换小重物

2.小白用如图6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：

图6

a.在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O，如图甲所示。

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。

图乙中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的大小和方向如图丙所示，请你用作图工具在丙图中坐标纸上作出FA、FB的合力F′。

d.已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力F如图丙所示。

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　b.图中B弹簧测力计的读数为11.40N；c.图线如图所示。

答案　

（1）11.40　图见解析　

（2）C

3.（2017·全国卷Ⅲ，22）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1mm）的纸贴在水平桌面上，如图7（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＝4.2N和F2＝5.6N。

（ⅰ）用5mm长度的线段表示1N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；

图7

（ⅱ）F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。

解析　

（1）由图（b）可知，F的大小为4.0N。

（2）（ⅰ）画出力F1、F2的图示，如图所示

（ⅱ）用刻度尺量出F合的线段长为20.0mm，所以F合大小为

×1N＝4.0N，F合与拉力F的夹角的正切值为tanα≈

＝0.05。

答案　

（1）4.0N　

（2）（ⅰ）见解析　（ⅱ）4.0　0.05