高考物理一轮复习实验三验证力的平行四边形定则教学案.docx

高考物理一轮复习实验三验证力的平行四边形定则教学案.docx

《高考物理一轮复习实验三验证力的平行四边形定则教学案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高考物理一轮复习实验三验证力的平行四边形定则教学案.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高考物理一轮复习实验三验证力的平行四边形定则教学案

实验三验证力的平行四边形定

1.验证力的平行四边形定则

2.掌握探究性实验和验证性实验的基本原理和实验方法

【实验目的】

1．学会用弹簧测力计和细线测出力的大小和方向．

2．运用力的图示法探究求合力的方法．

【实验原理】

一个力F′的作用效果与两个共点力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮条拉伸到某点，所以F′为F1和F2的合力．作出F′的图示，再根据平行四边形定则作出F1和F2的合力F的图示，比较F′和F是否大小相等，方向相同．如果在误差范围内，F′和F相同，那么力的平行四边形定则就正确．

【实验器材】

方木板、白纸，弹簧测力计即弹簧秤（两只）、三角板、刻度尺、图钉（几个）、细芯铅笔、橡皮条、细绳套（两个）．

弹簧测力计测力原理是根据胡克定律，其适用范围是在弹性限度内，刻度是0～5N，分度值是0.1N，它的拉杆和钩的质量较大，且零点是在竖直情况下校准的，因此水平使用时要重新调零点．弹簧测力计的伸长方向要和所测拉力方向一致，弹簧测力计、指针、拉杆都不要与刻度板和刻度板末端的限位卡发生摩擦．

【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，互成角度拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图2－5－1，记录两弹簧测力计的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两条细绳套的方向．

4．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读数F1、F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，即为合力F的图示．

5．只用一只弹簧测力计钩住细绳套，把橡皮条的结点拉到同样位置O，记下弹簧测力计的读数和细绳的方向，用刻度尺从O点按选定的标度沿记录的方向作出这只弹簧测力计的拉力F′的图示．

6．比较一下．力F′与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向．

7．改变两个力F1、F2的大小和夹角，重复实验两次．

【弹簧秤的选用】

1．弹簧测力计的选取方法是：

将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉，若两只弹簧测力计在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换，直至相同为止．

2．弹簧测力计不能在超出它的测量范围的情况下使用．

3.使用前要检查指针是否指在零刻度线上，否则应校正零位（无法校正的要记录下零误差）．

4．被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦．

5．读数时应正对、平视刻度．

【实验误差分析】

1．弹簧测力计使用前没调零会造成系统误差．

2．使用中，弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧测力计外壳和纸面之间有摩擦力存在会造成系统误差．

3．两次测量拉力时，橡皮条的结点O没有拉到同一点会造成偶然误差．

4．读数时眼睛一定要正视，要按有效数字正确读数和记录，两力的对边一定要平行，否则会造成误差．

5．在应用平行四边形定则作图时，F1、F2及合力F作图不准确．

【注意事项】

1．不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置．

2．在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点O的位置一定要相同．（保证作用效果相同）

3．不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧测力计拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条拉到相同的长度看弹簧测力计读数有无变化．

4．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，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连直线确定力的方向．

5．在同一次实验中，画力的图示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．

6．用两个弹簧测力计勾住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°到100°之间为宜．

【规律方法总结】

1．正确使用弹簧测力计

（1）将两只弹簧测力计调零后水平互钩对拉过程中，读数相同，可选；若不同，应另换或调校，直至相同为止．

（2）使用时，读数应尽量大些，但不能超出范围．

（3）被测力的方向应与轴线方向一致．

（4）读数时应正对、平视刻度．

2．注意事项

（1）位置不变：

在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同．

（2）角度合适：

用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°～100°之间为宜．

（3）在合力不超出量程及在橡皮条弹性限度内形变应尽量大一些．细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．

（4）统一标度：

在同一次实验中，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．

3．误差分析

（1）误差除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等．

（2）减小误差的办法：

①实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度盘，要按有效数字位数要求和弹簧测力计的精度正确读数和记录．

②作图时使用刻度尺，并借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行．

考点一　实验原理及实验操作

例1、某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图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_________________．

【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”

【变式探究】某同学用如图3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．

图3

（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______．

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．

【答案】

（1）3.6　

（2）D　（3）见解析

考点二　数据处理及误差分析

例2、李明同学在做“验证力的平行四边形定则”实验时，利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置O点以及两个弹簧测力计拉力的大小，如图4甲所示．

图4

（1）试在图甲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．若只增大某一个弹簧测力计的拉力的大小而要保证橡皮筋结点位置不变，只需要调整另一个弹簧测力计的拉力的大小即可

（3）图乙是李明和张华两位同学在做以上实验时得到的结果，其中哪一个实验比较符合实验事实？

（力F′是用一个弹簧测力计拉时的图示）

答：

________________________________________________________________________.

【答案】

（1）如图所示

（2）AC　（3）张华做实验时得到的结果符合实验事实

【变式探究】将橡皮筋的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5N、最小刻度为0.1N的弹簧测力计，沿着两个不同的方向拉弹簧测力计，当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图5甲所示．这时弹簧测力计的读数可从图中读出．

图5

（1）由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为______N和______N.

（2）在如图乙所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力．

【答案】

（1）2.50（4.00）　4.00（2.50）　

（2）见解析

考点三　实验拓展与创新

例3、某同学尝试用橡皮筋等器材验证力的平行四边形定则，他找到两条相同的橡皮筋（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与细绳连接，结点为O，细绳下挂一重物，两橡皮筋的另一端也都连有细绳．实验时，先将一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子A上，另一条橡皮筋任其下垂，如图8甲所示；再将另一条橡皮筋的另一端的细绳固定在墙上的钉子B上，如图乙所示．

图8

（1）为完成实验，下述操作中必需的是________．

a．两橡皮筋的另一端连接的细绳a、b长度要相同

b．要测量橡皮筋的原长

c．要测量图甲和图乙中橡皮筋的长度

d．要记录图甲中结点O的位置及过结点O的竖直方向

e．要记录图乙中结点O′的位置及过结点O′的竖直方向

（2）对该实验“两条相同的橡皮筋”的要求的理解正确的是________．

a．橡皮筋的材料和原长相同即可

b．橡皮筋的材料和粗细相同即可

c．橡皮筋的材料、原长和粗细均要相同

【解析】

（1）首先应明白该实验的实验原理，即用橡皮筋的伸长量来表示弹力的大小，所以实验中一定要测橡皮筋的长度，而没必要关心细绳a、b的长度，选项b和c中的操作是需要的，

为了确保力的合成的等效性，需要题图乙中结点O′的位置及过结点O′的竖直方向，选项e中的操作是必需的．

（2）为了能用橡皮筋的伸长量表示弹力大小，满足F＝kx，应让k值相同，即橡皮筋的材料、粗细、原长均要相同，选项c正确．

【答案】

（1）bce　

（2）c

【变式探究】某同学在家中用三根相同的橡皮筋（遵循胡克定律）来探究求合力的方法，如图9所示，三根橡皮筋在O点相互连接，拉长后三个端点用图钉固定在A、B、C三点．在实验中，可以通过刻度尺测量橡皮筋的长度来得到橡皮筋的拉力的大小，并通过OA、OB、OC的方向确定三个拉力的方向，从而探究求其中任意两个拉力的合力的方法．在实验过程中，下列说法正确的是（　　）

图9

A．实验过程中需要测量橡皮筋的长度以及橡皮筋的原长

B．为减小误差，应选择劲度系数尽量大的橡皮筋

C．以OB、OC为两邻边作力的平行四边形，其对角线必与OA在一条直线上且长度相等

D．多次实验中O点不必固定

【答案】AD

【变式探究】有同学利用如图10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O，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码的个数读出三根绳子的拉力FTOA、FTOB和FTOC，回答下列问题：

图10

（1）改变钩码的个数，能完成实验的是（　　）

A．钩码个数N1＝N2＝2，N3＝4

B．钩码个数N1＝N3＝3，N2＝4

C．钩码个数N1＝N2＝N3＝4

D．钩码个数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11中正确的是________（填“甲”或“乙”）．

图11

【答案】

（1）BCD　

（2）A　（3）甲

1．（2015·安徽理综·21Ⅰ）在“验证力的平行四边形定则”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1所示．请将以下的实验操作和处理补充完整：

图1

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．

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

（2015·山东理综·21）某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则．实验步骤：

图7

①将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向．

②如图7所示，将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上，另一端用圆珠笔尖竖直向下拉，直到弹簧秤示数为某一设定值时，将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2，记录弹簧秤的示数F，测量并记录O1、O2间的距离（即橡皮筋的长度l）．每次将弹簧秤示数改变0.50N，测出所对应的l，部分数据如下表所示：

F（N）

0

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

l（cm）

l0

10.97

12.02

13.00

13.98

15.05

③找出②中F＝2.50N时橡皮筋两端的位置，重新标记为O、O′，橡皮筋的拉力记为FOO′.

④在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图8所示．用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端，使秤钩的下端达到O点，将两笔尖的位置标记为A、B，橡皮筋OA段的拉力记为FOA，OB段的拉力记为FOB.

图8

完成下列作图和填空：

（1）利用表中数据在图9坐标纸上画出Fl图线，根据图线求得l0＝________cm.

图9

（2）测得OA＝6.00cm，OB＝7.60cm，则FOA的大小为________N.

（3）根据给出的标度，在图10中作出FOA和FOB的合力F′的图示．

图10

（4）通过比较F′与________的大小和方向，即可得出实验结论．

答案　

（1）见解析图甲　10.0（9.8、9.9、10.1均正确）　

（2）1.80（1.70～1.90均正确）　（3）见解析图乙

（4）FOO′

解析　

（1）作出Fl图象，如图甲所示，求得直线的截距即为l0，可得l0＝10.0cm

（3）FOB＝FOA＝1.80N，两力的合力F′如图乙所示．

（4）FOO′的作用效果和FOA、FOB两个力的作用效果相同，F′是FOA、FOB两个力的合力，所以通过比较F′和FOO′的大小和方向，可得出实验结论．

　（2014·江苏卷，11）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1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＝3.30N、F2＝3.85N和F3＝4.25N。

请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力。

图1

（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2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移动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。

图2　　　　　　　　　　图3

两次实验记录的轨迹如图3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哪些？

________。

（填写选项前的字母）

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）根据图中所给标度作出力F1和F2的图示，以F1和F2为邻边作平行四边形，画出对角线，量出其长度，可得F1和F2的合力大小F合＝4.70N。

【答案】

（1）见下图，F合＝4.6～4.9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；换用弹性好的轻弹簧。

）

1．（多选）在“验证力的平行四边形定则”的实验中，某同学认为实验过程中必须注意以下几项，其中正确的是（　　）

A．两根细绳必须等长

B．橡皮条应与两细绳夹角的平分线在同一直线上

C．读数时视线要正对弹簧测力计的刻度

D．两拉力之间的夹角不能太小，也不能太大

2．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拉橡皮条。

（1）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．两根细绳必须等长

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，两弹簧测力计示数应适当大一些

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

（2）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a、b的读数分别为________N和________N。

（3）在给出的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力，并利用作图法求出合力大小为________N。

（2）弹簧测力计上最小一格表示0.1N，读数时有效数字要保留两位小数。

（3）以方格纸上一个小格的边长作为0.5N的标度，作出两个拉力的图示，以这两个拉力为邻边作平行四边形，则所夹的对角线就表示合力的大小和方向。

量出该对角线的长度，看其是标度的多少倍，求其大小。

答案：

（1）BCD　

（2）4.00　2.50

（3）

4．70（4.50～4.90均可）

3.某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到两条相同的橡皮筋（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用细绳连接于结点O，两条橡皮筋的另一端分别挂在墙上的钉子A及重物C上，同时用一条细绳一端与结点O相连，另一端用钉子B固定在墙上。

（1）为完成该实验，下述操作中必需的是________。

A．测量细绳OB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

E．记录细绳OB的位置

F．使橡皮筋OA、细绳OB交换位置并保持O点位置不变，再重新固定细绳和橡皮筋，测量橡皮筋的长度

（2）要完成该实验，该同学在操作过程中，对减小实验误差有益的做法是________。

A．两橡皮筋必须等长、粗细相同

B．细绳、橡皮筋都应与竖直墙面平行

C．橡皮筋伸长量应尽可能大

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

答案：

（1）BCDEF　

（2）ABD

4.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段绳子的拉力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）根据实验原理及操作，在作图时，你认为图中________是正确的。

（填“甲”或“乙”）

（3）甲　实验中F3是竖直向下的。

答案：

（1）BCD　

（2）A　（3）甲

5．一同学用电子秤、水壶、细线、墙钉和贴在墙上的白纸等物品，在家中验证力的平行四边形定则。

（1）如图（a），在电子秤的下端悬挂一装满水的水壶，记下水壶______时电子秤的示数F。

（2）如图（b），将三根细线L1、L2、L3的一端打结，另一端分别拴在电子秤的挂钩、墙钉A和水壶杯带上。

水平拉开细线L1，在白纸上记下结点O的位置、______________和电子秤的示数F1。

（3）如图（c），将另一颗墙钉B钉在与O同一水平位置上，并将L1拴在其上。

手握电子秤沿着

（2）中L2的方向拉开细线L2，使____________和三根细线的方向与

（2）中重合，记录电子秤的示数F2。

（4）在白纸上按一定标度作出电子秤拉力F、F1、F2的图示，根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F′的图示，若________________，则平行四边形定则得到验证。

答案：

（1）静止

（2）三根细线的方向

（3）结点O的位置

（4）F和F′在误差范围内重合