实验3 验证力的平行四边形定则考点解读高考物理一轮复习实验考点全析.docx
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实验3验证力的平行四边形定则考点解读高考物理一轮复习实验考点全析
实验3验证力的平行四边形定则
Ø要点梳理
一、实验目的
1.验证力的平行四边形定则。
2.理解等效替代思想的应用。
二、实验原理
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端固定的橡皮筋伸长到同一一点,所以力F'就是这两个力F1、F2的合力。
作出力F、F2和F'的图示,再根据平行四边形定则作出力F1、F2的合力F的图示,如实验图所示。
比较F、F'的大小和方向,若在实验误差允许范围内相等,则可验证平行四边形定则的正确性。
三、实验器材
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上的木板上。
2.用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的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a、b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,如图所示。
记录两弹簧测力计的读数,用铅笔描下O点的位置及此时两细绳的方向。
4.只用一只弹簧测力计c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,再重做实验两次。
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a、b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c的拉力F'的图示。
3.比较F与F'是否重合。
六、注意事项
(1)正确使用弹簧测力计:
①本实验需要选用规格相同的两只弹簧测力计;②使用时读数尽量大,但不能超出范围;③被测力的方向与轴线方向要一致;④读数时应正对、平视刻度。
(2)位置不变:
在同一次实验中,橡皮筋拉长后,点O的位置必须保持不变。
(3)角度合适:
用两只弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮筋时,夹角不宜太大也不宜太小,以60°-100°为宜。
(4)确定方向:
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,应在细绳套末端的橡皮筋处用铅笔画-个点,去掉细绳套后,再将所标点与0点连接,即可确定力的方向。
(5)统一标度:
在同一次实验中,画力的图示时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。
七、误差分析
1.偶然误差:
弹簧测力计读数和作图造成偶然误差,需要多做几次实验,并且使两分力F1、F2的夹角适当大些。
2.减小误差的办法:
(1)实验过程中读数时视线要垂直弹簧测力计的刻度,要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。
(2)作图时应借助三角板,使表示两力的对边一定要平行。
Ø例题赏析
题型一实验原理与操作
1.两位同学在探究“两个互成角度的力的合成”的实验中,利用图钉、木板、橡皮条、细绳套、弹簧测力计、白纸、刻度尺等器材进行有关实验。
(1)其主要实验步骤如下:
①将图钉、白纸固定在木板上,把系好细绳套的橡皮筋挂在图钉上;
②用两个弹簧测力计互成角度的拉伸橡皮筋,记录此时两个测力计的读数F1、F2及其方向;
③用一个弹簧测力计拉伸橡皮筋,并记录此测力计的读数F'及其方向;
④在白纸上作出三个力的图示,并探究它们的关系。
以上步骤中,存在问题的步骤是 ②③ (填写步骤前的序号)。
(2)如图甲,乙所示是这两名同学探究得到的结果,则可判定其中 甲 (填“甲”或“乙”)实验结果是尊重实验事实的。
(3)两弹簧测力计拉力的图示已在图丙中作出,方格每边的长度表示1.0N,按照作图法可得合力的大小为 7.0(6.9~7.2) N(结果保留两位有效数字)。
【答案】
(1)②③;
(2)甲;(3)7.0(6.9~7.2)。
【解析】
(1)②用两个弹簧测力计通过两个互成角度的拉伸橡皮筋,使之伸长到一定长度,在白纸上记下结点位置O,同时记下两个弹簧测力计读数F1、F2和方向。
③只用一个弹簧测力计,拉伸橡皮筋,结点拉到O点,记下弹簧测力计读数F'和方向。
故存在问题的步骤是②③。
(2)用一个弹簧测力计拉伸橡皮筋时,拉力F'的作用线一定沿着OA方向,故甲实验结果是尊重实验事实的。
(3)已知分力求合力,根据平行四边形定则作图,如图:
故合力为7.0N,
故答案为:
(1)②③;
(2)甲;(3)7.0(6.9~7.2)。
2.在“验证力的平行四边形定则”实验中,某小组利用平木板、细绳套、橡皮条、弹簧测力计等装置完成实验。
(1)为了使实验能够顺利进行,且尽量减小误差,你认为下列说法或做法能够达到上述目的是 ABDE 。
(填选项前的字母)
A.使用弹簧测力计前应将测力计水平放置,然后检查并矫正零点
B.用弹簧测力计拉细绳套时,拉力应沿弹簧的轴线,且与水平木板平行
C.两细绳套必须等长
D.用弹簧测力计拉细绳套时,拉力应适当大些,但不能超过量程
E.同一次实验两次拉细绳套须使结点到达同一位置
(2)如图所示是甲和乙两位同学在做以上实验时得到的结果,其中一个实验比较符合实验事实的是 甲 。
(力F′是用一只弹簧测力计拉时的图示)
(3)在以上实验结果比较符合实验事实的一位同学中,若合力测量值F'是准确的,造成误差的主要原因是:
(至少写出两种情况) ①作图时两虚线分别与F1线和F2线不严格平行平行;②确定分力的方向不准确存在误差。
。
【答案】
(1)ABDE;
(2)甲;(3)①作图时两虚线分别与F1线和F2线不严格平行平行;②确定分力的方向不准确存在误差。
【解析】
(1)A、为了读数准确,在进行实验之前,使用弹簧测力计前应将测力计水平放置,然后检查并矫正零点,故A正确;
B、为了减小实验中摩擦对测量结果的影响,拉橡皮条时,橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板,故B正确;
C、为减小实验误差,细绳套应适当长些,两细绳套不必等长,故C错误;
D、为减小实验误差,用弹簧测力计拉细绳套时,拉力应适当大些,但不能超过量程,故D正确;
E、为使力的作用效果相同,同一次实验两次拉细绳套须使结点到达同一位置,故E正确。
故选:
ABDE。
(2)实验中F是由平行四边形得出的理论值,而F′是通过实验方法得出的实际值,其方向一定与橡皮筋的方向相同,而由于实验过程不可避免的存在误差,因此理论值F的方向与竖直方向总要有一定夹角,所以甲比较符合实验事实。
(3)由图甲所示可知,理论值F的大小比真实值F′小且方向比真实值方向偏左;出现误差的原因主要是在做平行四边形时出现误差,或测力的大小与确定分力方向时出现误差,故具体情况可能为:
①作图时两虚线分别与F1线和F2线不严格平行平行;②确定分力的方向不准确存在误差;③测力计读数存在误差。
故答案为:
(1)ABDE;
(2)甲;(3)①作图时两虚线分别与F1线和F2线不严格平行平行;②确定分力的方向不准确存在误差。
3.某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示,(装置竖直放置)
(1)下列说法中正确的是 AC 。
A.在测量同一组数据F1、F2和合力F的过程中,橡皮条结点O的位置不能变化
B.弹簧测力计拉细线时,拉力方向必须竖直向下
C.F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程
D.为减小测量误差,F1、F2方向间夹角应为90°
E.本实验采用的科学方法是控制变量法
(2)弹簧测力计的指针如图乙所示,由图可知拉力的大小为 4.00 N。
【答案】
(1)AC;
(2)4.00。
【解析】
(1)AE.实验采用的是“等效替代”的方法,即一个合力与几个分力共同作用的效果相同,可以互相替代,所以结点O的位置在同一组实验中不能变动;故A正确,E错误;
B.细线对结点O的拉力方向沿O点与滑轮间的细线方向,不沿弹簧测力计拉细线的方向,故B错误;
C.用一根弹簧测力计拉结点O时,此弹簧测力计的拉力即为合力的实际值,所以F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程,故C正确;
D.实验过程中,对F1、F2方向间夹角没有要求一定为90°,应适当的大一些,故D错误。
故选:
AC;
(2)由图可知分度值为0.1N,根据指针所指刻度可得拉力大小为4.00N。
故答案为:
(1)AC;
(2)4.00。
题型二实验数据处理
5.在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中,某同学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力的图示。
(1)图乙中的F是力F1和F2合力的 实际测量 值。
(请填写“理论值”或是“实际测量值”);
(2)本实验探究合力与分力关系用到的科学思想方法是 等效替代 。
(请从“理想化模型”、“等效替代”“放大微小量”“控制变量”四种中选填一种)
【答案】见试题解答内容
【解析】
(1)由图甲所示可知,F与OA在同一直线上,F是合力的实际测量值。
(2)本实验应用了等效替代法。
故答案为:
(1)实际测量;
(2)等效替代。
7.在“验证力的平行四边形定则”的实验中,
(1)某同学第一步用一个弹簧测力计钩住细绳套拉橡皮条,使结点到达某一位置O;第二步用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套互成角度地拉橡皮条,使结点到达同一位置O.第二步中必须记录的是 D
A.两细绳的长度和两细绳的方向
B.橡皮条伸长的长度和两细绳的方向
C.两弹簧测力计的读数和橡皮条伸长的长度
D.两细绳套的方向和两弹簧测力计的读数
(2)如图所示是甲、乙两位同学在做本实验时得到的结果,其中F是用作图法得到的合力,F′是通过实验验证测得的合力,则符合实验事实的实验结果是 甲 (填“甲”或“乙”)。
【答案】见试题解答内容
【解析】
(1)A、两细绳的长度不需要记录,故A正确。
B、本实验中橡皮条伸长的长度需要一致,不需要记录橡皮条伸长的长度,故B错误。
C、两次拉橡皮条将橡皮条拉伸相同长度,并且必须保证结点重合,不需要记录橡皮条伸长的长度,故C错误。
D、为了准确作图,实验中必须记录弹簧测力计的拉力的方向和大小,故D正确。
故选:
D。
(2)F1、F2合力的理论值是指通过平行四边形定则求出的合力值,而其实验值是指一个弹簧拉橡皮条时所测得的数值,一定沿AO方向,由此可知F是F1、F2合力的理论值,F′是合力的实验值,由于误差的存在,作图法得到的合力与实验值有一定的差别,故甲更符合实验事实。
故答案为:
(1)D;
(2)甲
8.某兴趣小组通过实验验证力的平行四边形定则。
O点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置,两弹簧测力计拉橡皮筋时,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,实验测得F1=3.18N、F2=2.90N。
(1)在操作过程中,下列说法正确的是 B 。
A.必须测量F1和F2间的夹角
B.弹簧测力计的拉力方向必须与木板平行
C.两弹簧测力计拉橡皮筋时,两个拉力方向一定要互相垂直
D.拉橡皮筋的细绳要短些,标记同一细绳方向的两点要近些
(2)请用刻度尺上1cm的长度作为1N的标度,在右图中作出两个分力F1和F2的合力F合(保留作图痕迹),并求其大小为 4.2 N。
(3)某同学发现表示F合的线段并不过P3点,上述实验误差产生的原因可能是 力的测量有误差;作图不准确 。
(写出两个原因)
(4)实验中F1与F2的夹角为θ(θ>90°),保持F1的方向不变,增大θ角,为保证O点不变,F2应该 变大 。
(选填“变大”、“变小”或“不变”)
【答案】见试题解答内容
【解析】
(1)A、用作图法求合力,则不用测量F1和F2间的夹角,故A错误
B.弹簧测力计的拉力方向必须与木板平行,故B正确
C.两弹簧测力计拉橡皮筋时,两个拉力的夹角适当大些,汪一定要互相垂直,故C错误
D.拉橡皮筋的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些,故D错误
故选:
B
(2)力的图示如图:
据图及标度可得F=4.2N
(3)实验误差产生的原因可能是:
力的测量有误差;作图不准确;
(4)对点o受力分析,受到两个弹簧的拉力和橡皮条的拉力,如图,
F1、F2夹角大于90°,现保持O点位置不变,拉力F1方向不变,增大F1与F2的夹角,将F2缓慢转至水平方向的过程中,F2一直增大。
故答案为:
(1)B
(2)作力的图示以及平行四边形4.2;
(3)力的测量有误差;作图不准确
9.在“两个共点力的合成”实验中,某同学做作出如图所示的图,其中A为橡皮条上端的固定点,O为橡皮条与细绳的结点,图中 F 是F1、F2合力的理论值,需要进行比较的是F与F′的 大小 和方向,通过本实验,可以得出结论:
在误差允许的范围内,两个分力的合力满足平行四边形定则 。
【答案】见试题解答内容
【解析】F1、F2合力的理论值是指通过平行四边形定则求出的合力值,而其实验值是指一个弹簧拉橡皮条时所测得的数值,由此可知F是F1、F2合力的理论值,F′是合力的实验值;该实验的实验目的就是比较F1、F2合力的理论值和实验值是否相等从而验证平行四边形定则。
故答案为:
(1)F,大小,在误差允许的范围内,两个分力的合力满足平行四边形定则。
题型三实验改进与创新
10.有同学利用如图丙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FTOA、FTOB和FTOC,回答下列问题:
①改变钩码个数,实验能完成的是 BCD
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在作图时,你认为图甲、乙中 甲 (选填“甲”或“乙”)是正确的。
【答案】见试题解答内容
【解析】
(1)对O点受力分析如图所示;
OA、OB、OC分别表示三个力的大小,由于三共点力处于平衡,所以OC等于OD.因此三个力的大小构成一个三角形。
A、A中以钩码的个数表示力的大小,只能两分力沿直线时才能构成三角形,不符合实验方法,故A错误;
B、B中以钩码的个数表示力的大小,则三力为边构成等腰三角形,故B正确;
C、C中以钩码的个数表示力的大小,则三力为边构成等边三角形,故C正确;
D、D中以钩码的个数表示力的大小,三力为边构成直角三角形,故D正确;
故选:
BCD。
(2)实验中F合是由平行四边形得出的,而F3方向一定与橡皮筋的方向相同,而由于实验过程不可避免的存在误差,因此理论值F合的方向与竖直方向总要有一定夹角,所以甲比较符合实验事实,故乙错误,甲正确。
故答案为:
甲。
故答案为:
(1)BCD;
(2)甲。
11.某同学在探究“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,同时用两个弹簧秤将橡皮条的另一端拉到位置O.这时两弹簧秤的示数分别为FA=3.5N.FB=4.0N,其位置记录如图甲中A、B所示。
倘若橡皮条的活动端仅用一个弹簧秤拉着,也把它拉到O点位置,弹簧秤的示数为FC=6.0N,其位置如图甲中的C所示。
(1)下列关于此实验的说法中正确的是 A (填字母代号)。
A.同一次实验中,O点位置不允许变动
B.实验中,只需记录弹簧测力计的读数和O点的位置
C.实验中,把橡皮筋的另一端拉到O点时,两个弹簧测计之间的夹角必须取90°
D.实验中,要始终将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程,然后调节另一弹簧测力计拉力的大小和方向,把橡皮筋另一端拉到O点
(2)其中对减小实验误差有益的说法是 BD (填字每代号)。
A.两细绳必须等长
B.弹簧秤、细绳、橡皮筋都应与木板平行
C.用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大
D.拉橡皮筋的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些
(3)本实验采用的主要的科学方法是 B (填选项前的字母)。
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
(4)请选择适合的标度,在图乙中作出力FA、FB以及FA、FB的理论合力F和实际合力FC的图示。
(请把各个力的符号及大小标出来)
(5)比较F和FC,你得到的结论为:
在误差允许范围内,F与FC相等,力的合成符合平行四边形法则 。
【答案】见试题解答内容
【解析】
(1)A、为了使两次拉橡皮筋效果相同,要求两次要将O点拉到同一位置,故A正确;
B、实验中要记录弹簧测力计的读数以及拉力的方向,和O点的位置,故B错误;
C、实验过程中两弹簧的夹角要适当,并非要求达到90°,非特殊角度也可,故C错误;
D、实验中,弹簧的读数大小适当,便于做平行四边形即可,并非要求一定达到最大量程,故D错误。
故选:
A
(2)A、通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条时,并非要求两细绳等长,故A错误;
B、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,操作中要求弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行,故B正确;
C、用弹簧秤同时拉细绳时,拉力不能太太,也不能太小,也不能两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大,故C错误;
D、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。
故选:
BD。
(3)该实验采用了“等效替代”的原理,即合力与分力的关系是等效的,所以本实验采用的主要的科学方法是等效替代法,故B正确,ACD错误;
故选:
B
(4)请选择适合的标度,在图乙中作出力FA、FB以及FA、FB的理论合力F和实际合力FC的图示如图;
(5)比较F和FC,得到的结论为在误差允许范围内,F与FC相等,力的合成符合平行四边形法则。
故答案为:
(1)A;
(2)BD;(3)B;(4)如图;(5)在误差允许范围内,F与FC相等,力的合成符合平行四边形法则。