届高考物理一轮复习实验3验证力的平行四边形定则.docx

届高考物理一轮复习实验3验证力的平行四边形定则.docx

《届高考物理一轮复习实验3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《届高考物理一轮复习实验3验证力的平行四边形定则.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

届高考物理一轮复习实验3验证力的平行四边形定则

实验3　验证力的平行四边形定则

一、实验目的

1．学会用弹簧测力计和细线测出力的大小与方向．

2．运用力的图示法探究互成角度的两个共点力合成时遵循平行四边形定则．

二、实验器材

方木板一块、白纸、弹簧测力计（两只）、________、细绳套（两个）、________、图钉（几个）、细芯铅笔．

　考点一　实验原理与实验操作

1.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一端固定的橡皮条伸长到________，所以力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的图示．再根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示，比较__________________是否相同，若相同，则说明互成角度的两个力合成时遵循平行四边形定则．

2．实验步骤

（1）用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上，并用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴一短绳，短绳的另一端拴上两个细绳套．

图S31

（2）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，如图S31所示，记录两只弹簧测力计的读数，____________________________．

（3）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和________________________．

（4）用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线，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．

（5）用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出只用一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的大小和方向是否相同．

1[2015·安徽卷]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S32所示．请将以下的实验操作和处理补充完整：

图S32

（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．

式题在“验证二力合成的平行四边形定则”的实验中，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________（填选项前的字母）．

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

■注意事项

（1）不要直接以橡皮条的端点为结点，可拴一短细绳连接两个细绳套，以三绳交点为结点，且应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置．

（2）使用弹簧测力计前，应先调节零刻度，使用时不能超过量程，拉弹簧测力计时，应使弹簧测力计与木板平行．被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动弹簧时不可与外壳相碰或摩擦．

（3）在同一次实验中，橡皮条伸长时的结点位置要相同．

（4）两个拉力F1和F2夹角不宜过小，作力的图示时，标度要一致．

（5）读数时应正对、平视刻度．

　考点二　数据处理与误差分析

1.数据处理——作图法

在“验证力的平行四边形定则”的实验中，由作图法得到的合力F与实际测量得到的合力F′不可能完全重合，只要在误差允许的范围内可以认为F与F′重合，即可验证平行四边形定则，如图S33所示．

图S33

2．误差分析

（1）用两个弹簧测力计拉橡皮条时，橡皮条、细绳和弹簧测力计不在同一个平面内时，这样得到的两个弹簧测力计的水平分力的实际合力会比由作图法得到的合力小．

（2）结点O的位置和两个弹簧测力计的方向画得不准会造成作图的误差．

（3）作图比例不恰当会造成作图误差．

2[2015·山东卷]某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则．

实验步骤：

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S34甲所示，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，如图乙所示．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.

甲

乙

图S34

完成下列作图和填空：

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

图S35

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

（3）根据给出的标度，作出FOA和FOB的合力F′的图示．

图S36

（4）通过比较F′与________的大小和方向，即可得出实验结论．

式题在“验证二力合成的平行四边形定则”的实验中，下列做法有利于减小误差的是________（填选项前的字母）．

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，避免产生摩擦

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，避免产生摩擦

■注意事项

（1）注意弹簧测力计的最小格为0.1N，弹簧测力计读数要符合有效数字要求，小数点后要有两位有效数字；

（2）作图时要选好标度，合力F合的大小要根据所选标度和对角线长度计算得出；（3）实验理论值不一定沿橡皮条方向，但单个弹簧测力计的拉力F′一定沿橡皮条方向，读数不准和作图不准都可能使F与F′不完全重合．

1．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）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．将橡皮条和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

2．[2015·湖南师大附中高三月考]

（1）小翔利用如图S37甲所示的装置，探究弹簧弹力F与伸长量Δl的关系，由实验绘出F与Δl的关系图如图乙所示，则该弹簧的劲度系数为________N/m.

（2）某学生用如图丙所示的装置“验证力的平行四边形定则”．将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：

如图丙，在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O；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．图丁中B弹簧测力计的读数为________N；

该生在坐标纸上画出两弹簧测力计拉力F1、F2的大小和方向，以及由钩码的重量画出钩码对弹簧的拉力F的大小和方向，如图戊所示，请在图戊中作出F1、F2的合力F′，观察比较F和F′，得出结论．

图S37

3．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S38甲所示．这时弹簧测力计的读数可从图中读出．

图S38

（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．

4．如图S39所示，某实验小组同学利用DIS实验装置研究支架上力的分解．A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负．A连接质量不计的细绳，可在固定板上沿圆弧移动．B固定不动，通过光滑铰链连接长0.3m的杆．将细绳连接在杆右端O点构成支架，保持杆在水平方向，按如下步骤操作：

图S39

①测量绳子与水平杆的夹角∠AOB＝θ；

②对两个传感器进行调零；

③用另一根绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数；

④取下钩码，移动传感器A改变θ角．

重复上述实验步骤，得到数据见下表.

F1/N

1.001

0.580

…

1.002

…

F2/N

－0.868

－0.291

…

0.865

…

θ

30°

60°

…

150°

…

（1）根据表格中的数据，A传感器对应的是表中力________（选填“F1”或“F2”），钩码质量为________kg（保留一位有效数字，g取10m/s2）．

（2）本实验中多次对传感器进行调零，对此操作说明正确的是________（填选项前的字母）．

A．因为事先忘记调零

B．何时调零对实验结果没有影响

C．为了消除横杆自身重力对结果的影响

D．可以完全消除实验的误差

5．[2015·江西九江高三期末]“探究求合力的方法”的实验装置如图S310甲所示．

图S310

（1）某次实验中，弹簧测力计的指针位置如图甲所示．其中，细绳CO对O点的拉力大小为________N；

（2）请将图甲中细绳CO和BO对O点两拉力的合力F合画在图乙上．由图求出合力的大小F合＝________N（保留两位有效数字）；

（3）某同学对弹簧测力计中弹簧的劲度系数是多少很感兴趣，于是，他将刻度尺与弹簧测力计平行放置，如图丙所示，利用读得的数据，他得出了弹簧的劲度系数．那么，该弹簧的劲度系数k＝________N/m（保留两位有效数字）．

6．[2014·江苏卷]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S311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S311

（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S312甲所示，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．

　　　　　　甲　　　　　　　　　　　　　乙

图S312

两次实验记录的轨迹如图乙所示．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________（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．

实验3　验证力的平行四边形定则

【实验器材】

橡皮条　刻度尺

【考点互动探究】

考点一　实验原理与实验操作

1．同一位置　F和F′的大小和方向

2．

（2）用铅笔描下O点的位置及此时两个细绳套的方向　（3）细绳套的方向

例1　（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　（6）F和F3

[解析]（3）可参考第

（2）步中的相关操作，描点、连线，以确定只用一个弹簧测力计时的拉力F3的方向．

（6）根据合力与分力的等效替代关系，应比较利用平行四边形定则作图得到的F1与F2的合力F和一个弹簧测力计单独作用时的拉力F3的大小和方向，是否在误差允许的范围内近似相等，以完成验证．

变式题　B　[解析]在“验证力的平行四边形定则”的实验中，应用相同的弹簧测力计，把两测力计的挂钩钩在一起向两侧水平拉，若示数相同，则两测力计相同，选项B正确．

考点二　数据处理与误差分析

例2　

（1）如图甲所示　10.0（9.8、9.9、10.1均正确）

（2）1.80（1.70～1.90均正确）

（3）如图乙所示

（4）FOO′

　　　　　　甲　　　　　　　　　　　　　　乙

[解析]

（1）由胡克定律得，橡皮筋拉力与橡皮筋伸长量关系为F＝k（l－l0）．根据表格数据，在坐标系中描点、连线，求得斜率k＝50N/m，l0＝10.0cm.

（2）当OA＝6.00cm，OB＝7.60cm时，橡皮筋的长度为l＝13.60cm，FOA＝FOB＝k（l－l0）＝1.80N.

（4）FOA和FOB的合力的作用效果应与FOO′相同，即以FOA和FOB为邻边作出的实验值F′与真实值FOO′在误差允许的范围内大小相同，方向一致．

变式题　CD　[解析]实验中拉力适当大些，可以使作图时误差小些，但拉力过大时，容易超过弹簧测力计的弹性限度，损坏弹簧测力计，同时两个分力夹角很大时，这两个力也会很大，选项A、B错误．在拉动弹簧测力计时，要水平拉，弹簧及挂钩不能与外壳及纸摩擦，否则弹簧测力计的示数不等于拉力大小，选项C、D正确．

【教师备用习题】

1．李明同学在做“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，如图所示．

（1）试在图中作出无实验误差情况下F1和F2的合力，并用F表示此力．

（2）有关此实验，下列叙述正确的是________（填选项前的字母）．

A．两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大

B．弹簧测力计的拉力越大越好

C．两次拉橡皮筋时，需将橡皮筋结点拉到同一位置O，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且要保证橡皮筋结点位置不变，则只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可

（3）下图是甲、乙两位同学在做以上实验时得到的结果，其中比较符合实验事实的是________的实验结果．（力F′是用一只弹簧测力计拉时的力）

[答案]

（1）略　

（2）AC　（3）甲同学

[解析]

（1）用平行四边形定则作图，即以F1、F2为两邻边作平行四边形，对角线就表示合力F，并标上箭头表明方向，如图所示．

（2）两分力可以同时大于合力，选项A正确；两弹簧测力计的拉力不能太大或太小，选项B错误；只有保证结点在同一位置才能说明作用效果相同，选项C正确；若两个分力的大小变化而方向都不变，则合力必定变化，选项D错误．

（3）作图法得到的F必为平行四边形的对角线，单个弹簧测力计的拉力F′一定与橡皮筋共线，故甲同学的实验结果比较符合实验事实．

2．在“探究求合力的方法”的实验中，现有木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一只弹簧测力计．

（1）为完成实验，某同学另找来一根弹簧，先测量其劲度系数，得到的实验数据如下表：

弹力F/N

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

伸长量x/（10－2m）

0.74

1.80

2.80

3.72

4.60

5.58

6.42

用作图法求得该弹簧的劲度系数k＝________N/m.

（2）某次实验中，弹簧测力计的指针位置如图所示，其读数为________N.

（3）利用

（1）中结果获得弹簧上的弹力值为2.50N，可画出这两个共点力的合力F合．由图得到F合＝________N.

[答案]

（1）53（51～55均可）　

（2）2.10（2.08～2.12均可）　（3）3.3（3.1～3.5均可）

[解析]

（1）以水平方向为x轴，竖直方向为F轴，建立直角坐标系，然后找点，选尽可能多的点连成一条线，如图所示，其图线的斜率即为弹簧的劲度系数k，故k＝

N/m≈53N/m.

（3）作出合力的图示如图所示．经测量可得合力F合＝3.3N.

3．如图甲所示，在“验证力的平行四边形定则”的实验中，A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳．图乙是在白纸上根据实验结果画出的图．

（1）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________（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

[答案]

（1）F′　

（2）B

[解析]

（1）实验中F是根据平行四边形定则画出的，而F′是通过实验方法得出的，其方向一定与橡皮筋的方向相同，由于实验过程不可避免地存在误差，因此理论值和实验值存在一定的偏差．

（2）本实验中两个拉力的作用效果和一个拉力的作用效果相同，采用的科学方法是等效替代法．

【课时巩固训练】

1．

（1）BD　

（2）BD

[解析]

（1）该实验的关键是等效替代，故选B、D.

2．

（1）125　

（2）12.60　如图所示

[解析]

（1）图线的斜率表示劲度系数，则k＝

N/m＝125N/m；

（2）弹簧测力计的最小分度为0.1N，图中示数为12.60N．根据平行四边形定则，作出合力的大小和方向如图所示，可知在误差允许的范围内，合力和分力遵循平行四边形定则．

3．

（1）2.50（4.00）　4.00（2.50）　

（2）如图所示

[解析]

（1）弹簧测力计的最小刻度为0.1N，读数时应估读一位，所以读数分别为2.50N和4.00N．

（2）取一个小方格的边长表示0.50N，作出两个力及它们的合力如图所示．

4．

（1）F1　0.05　

（2）C

[解析]

（1）A传感器中的力均为拉力，故A传感器对应的是表中力F1，平衡时，有mg＝F1sinθ，当θ＝30°时，F1＝1.001N，可求得m＝0.05kg.

（2）在挂钩码之前，对传感器进行调零，是为了消除横杆自身重力对结果的影响，C正确．

5．

（1）2.60　

（2）略　5.1　（3）60

[解析]

（1）由图甲可读出CO对O点的拉力大小为2.60N；

（2）在图乙上的画图如图所示，结合作图可求知合力大小为5.1N.

（3）由图丙可知，弹簧测力计0刻度线对应5.0mm，2.60N对应48.2mm，由胡克定律，F＝kx，解得k＝

＝60N/m.

6．

（1）略　

（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．）

[解析]

（1）用力的图示法根据平行四边形定则作出合力并量出其大小．

（2）画受力分析图如图所示，橡皮筋的拉力F与手的拉力F手的合力F合总与重力G平衡，故Fcosθ＝G，两次实验中的θ角相同，故Fa＝Fb.

（3）根据两次描出的不同轨迹说明橡皮筋的长度与受到的拉力不成正比，两次受到的拉力相同时，橡皮筋第2次的长度较长，A错误，B正确；两次被拉伸到相同长度时，橡皮筋第2次受到的拉力较小，C错误；根据轨迹越向右相差越多，说明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，D正确．