（新课标）2020版高考物理一轮复习第二章实验三验证力的平行四边形定则课件.pptx

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1、实验三 验证力的平行四边形定则,一 实验目的,二 实验原理,三 实验器材,基础过关,四 实验步骤,五 数据处理,六 注意事项,考点一 实验原理和实验操作,考点二 实验数据处理和误差分析,考点三 实验拓展和实验创新,考点突破,基础过关,一、实验目的 1.验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。 2.培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。,二、实验原理互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F产生相同的效果,看F1、F2用,平行四边形定则求出的合力F与F在实验误差允许范围内是否相等。,三、实验器材 木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、 刻度尺 、铅笔。 四、实验

2、步骤 1.用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。 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,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条与 细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 及此时两细绳套的 方向 。,4.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 细绳套的方向 。 5.改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再做两次实验。,五、数据处理 1.用铅笔和刻度尺从结点O沿两细绳套方向画直线,按选定的标度作出 这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,并以F1

3、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 ,此 对角 线 即合力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 力计的拉力F的图示。 3.比较F与F是否完全重合或几乎完全重合,从而验证 平行四边形 定则 。,六、注意事项 1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零 后互钩对拉,读数相同。 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。 3.用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时,夹角不宜太大也 不宜太小,在60100为宜。 4.实验时弹簧测力计应与木板平行,读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻 度

4、,在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下,拉力的数值尽量大些。,5.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,移开细绳套后,再将所标点与 O点连接,即可确定力的方向。 6.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,使所作力的图示稍长一些。 七、误差分析 1.弹簧测力计本身的误差。 2.读数误差和作图误差。 3.两分力F1、F2间的夹角越大,用平行四边形定则作图得出的合力F的 误差F也越大。,考点一 实验原理和实验操作 例1 某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示, 其中A为固定橡皮条的图钉,O

5、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。,考点突破,(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木板上,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.用两只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,读出两只弹簧测力计的 示数

6、;,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:有重要遗漏的步骤的序号是 和 ; 遗漏的内容分别是 和 。,答案 (1)F (2)B (3)C E 记下两条细绳的方向 把橡皮条的结点拉到同一位置O,变式1 (2019安徽六安一中综合训练)在“验证力的平行四边形定则” 实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳 套,如图甲所

7、示,实验中先用两个弹簧测力计分别钩住绳套,并互成角度 地拉橡皮条,把橡皮条的一端拉到O点,用铅笔描下O点位置和两个细绳 套的方向,并记录弹簧测力计的读数,然后只用一个弹簧测力计,通过细 绳套再次把橡皮条的一端拉到O点,记下弹簧测力计的读数F和细绳套 的方向,作出三个力的图示,如图乙所示。,(1)下列说法正确的是 ( ) A.实验中两个细绳套应适当长一些,可以减小实验误差 B.在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向,C.在同一次实验中,作力F1、F2的图示时,必须选取同样的标度,而作力F 的图示时,可以选取不同的标度 D.最后,连接F1、F2和F三个力的末端,验证所得图形是不是平行四

8、边形,(2)甲同学在做这个实验的时候,两个弹簧测力计的量程都是010 N,他 把弹簧测力计校零之后,先测量一个质量为1 kg的物体的重力,发现弹簧 测力计的示数为8.2 N,换用另外一个弹簧测力计测量这个物体的重力, 发现示数还是8.2 N,测量重力的操作都是正确的,如果用这两个弹簧测 力计进行实验,对实验结果有影响吗? (填“有”或“没 有”)。乙同学实验后才发现忘记对这两个弹簧测力计校零,他把两个 弹簧测力计平放在实验台上,发现两个弹簧测力计的示数都是0.3 N,乙 同学使用的弹簧测力计对实验结果有影响吗? (填“有”或 “没有”)。,答案 (1)AB (2)没有 有 解析 (1)拉橡皮条

9、的细绳套适当长一些,方便画出力的方向,可以减小 误差,故A项正确;在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线 方向,否则会影响拉力大小,故B项正确;在同一次实验中,作力F1、F2的 图示时,必须选取同样的标度,而作力F的图示时,也必须选取同样的标 度,故C项错误;应该是以F1、F2为邻边作出平行四边形,过O点作出平行 四边形的对角线,该对角线表示合力,比较合力和F的关系,故D项错误。,(2)用两个校零后的弹簧测力计测量同一个物体发现示数相等,用这两 个弹簧测力计进行实验,拉力和示数之比相等,对实验结果没有影响;若 两个弹簧测力计测量前都没有校零,且没有拉力时弹簧测力计的示数都 是0.3 N

10、,则用此弹簧测力计测量时,弹力的大小应等于示数减去0.3 N,根 据示数作平行四边形时,误差较大,对实验结果有影响。,考点二 实验数据处理和误差分析 例2 (2017课标,22,6分)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1 mm)的纸贴 在水平桌面上,如图(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

11、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=4.2 N和 F2=5.6 N。 ()用5 mm长度的线段表示1 N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(a) 图(b),()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。,答案 (1)4.0 (2)()F1、F2和F合如图所示 ()4.0 0.05,解析 (

12、1)测力计的分度值为0.2 N,F的大小为 4.0 N。 (2)()图见答案。分别以F1、F2为邻边作平行 四边形,并作出对角线,即得F合。 ()表示F合的线段的长度为20.0 mm,F合= 1 N= 4.0 N。 F合与拉力F的夹角的正切值为tan =0.05。,变式2 小明通过实验验证力的平行四边形定则。 (1)实验记录纸如图甲所示,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=3.30 N、F2=3.85 N 和F3=4.25 N。请根据图中给出的标度作图

13、求出F1 和F2的合力。,甲,(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。 实验装置如图乙所示,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。,乙 丙 两次实验记录的轨迹如图丙所示。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

14、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。,答案 (1)如图,F合=4.6 N4.9 N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。),解析 (1)画直线OP1、OP2,按给出的标度作出力F1、F2的图示,以F1

15、、F2 为邻边作平行四边形,过点O画出平行四边形的对角线即F1和F2的合 力。(2)分析端点N受力,设橡皮筋与竖直方向间的夹角为,由平衡条件 易得橡皮筋的拉力F= ,可见相同时橡皮筋拉力相同。(3)题图丙中 ab表示两次拉力相同时橡皮筋的长度之差,易知A错误,B正确。由题图 丙中两轨迹间的距离变化可知,越大时长度差越大,结合F= 知对应 的拉力越大,故D正确。因同样拉力下橡皮筋第2次长度较长,故同样长,度下橡皮筋第2次所受拉力较小,C错误。(4)从能在记录纸上完成实验 的角度考虑有:橡皮筋不宜过长,O点位置应靠近木板边缘,所选标度不 能过小或过大等;从能测出拉力及减小相对误差角度考虑有:拉力不

16、宜 过大或过小,两力之间夹角不宜过大或过小等;从能保证两次测量中力 的作用效果相同的角度来考虑有:选用新的、弹性好的橡皮筋或换用弹 性好的轻弹簧等。,考点三 实验拓展和实验创新,例3 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,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,N

17、3=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 是正确的。(填“甲”或“乙”),答案 (1)BCD (2)A (3)甲 解析 (1)实验中的“分力”与“合力”的关系必须满足: |F1-F2|F3F1+F2,因此B、C、D选项是可以的。 (2)在拆下钩码和绳子前要标记结点O的位置,并记录OA、OB、OC三段 绳子的方向,故选A。 (3)实验中F3是竖直向下的,故正确的是甲。,

18、变式3 (2018湖南衡阳模拟)如图所示,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,可沿固定的圆弧形板移动。B固定不动,通过光滑铰链连接长0.3 m 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:,测量绳子与水平杆的夹角为; 对两个传感器进行调零; 用另一根质量不计的细绳在O点悬挂一个钩码,记录两个传感器的读数;,取下钩码,移动传感器A改变角。 重复上述实验步骤,得到表格。,(1)根据表格,A传感器对应的是表中力 (选填“F1”或“F2”),

19、钩码质量为 kg(保留一位有效数字)。 (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 。 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,答案 (1)F1 0.05 (2)C 解析 (1)由表格数据可知,F1都是正值,传感器受到的都是拉力,因绳子 只能提供拉力,故A传感器对应的是表中力F1。对结点O受力分析有F1 sin 30=mg,解得m=0.05 kg。 (2)本实验中多次对传感器进行调零,是为了消除横杆自身重力对结果 的影响,C对。,1.2018天津理综,9(2)某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实

20、验,所用器材有:方木板一块,白纸,量程为5 N的弹簧测力计两个,橡皮条 (带两个较长的细绳套),刻度尺,图钉(若干个)。 具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的有 。 A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上 B.重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同 C.使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线;读数时视线应正对测力计刻度,D.用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力 计时的拉力 该小组的同学用同一套器材做了四次实验,白纸上留下的标注信息有 结点位置O、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点,如 下图所示。其中对于提高实验精度最有

21、利的是 。,答案 BC B 解析 本题考查“验证力的平行四边形定则”实验。 橡皮条的弹力方向不需要在两绳套夹角的角平分线上,选项A错误;重复实验,结点O的位置与上次实验无关,可以不同,选项B正确;使用测力计时,为避免弹簧与外壳的摩擦,要求施力方向应沿测力计轴线方向,读数时视线应正对测力计刻度,选项C正确;拉力均小于弹簧测力计的量程即可,选项D错误。 “验证力的平行四边形定则”实验中,在不超测力计量程的前提下,拉力应尽量大些;确定拉力方向时,所描点应与O点的距离大些;两绳套夹角不能过大或过小;作图示时,所选标度越小,精度越高。综上所述,应选B。,2.(2019辽宁沈阳东北育才质检)在“探究求合力

22、的方法”实验中,现有 木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一把弹簧测力计。 (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 数据如表:,根据表中数据在图甲中作出F-x图像并求得该弹簧的劲度系数k= N/m;(保留两位有效数字),甲 乙 丙,(2)某次实验中,弹簧测力计的指针位置如图乙所示,其读数为 N;同时利用(1)中结果获得弹簧上的弹力值为2.50 N,请在图丙中画 出这两个共点力的合力F合; (3)由图得到F合= N。(保留两位有效数字),答案 (1)图见解析 55(说明:552范围内都可) (2)2.1 图见解析 (3)3.3(说明:3.30.2范围内都可) 解析 (

23、1)根据描点法作出图像如图所示: 根据图像得:k= =55 N/m,(2)弹簧测力计的读数为F=2.1 N,作图如图所示:(3)由图得到F合=3.3 N。,3.(2016浙江理综,21,10分)某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的 实验中,测得图中弹簧OC的劲度系数为500 N/m。如图1所示,用弹簧 OC和弹簧测力计a、b做“探究求合力的方法”实验。在保持弹簧伸 长1.00 cm不变的条件下,(1)若弹簧测力计a、b间夹角为90,弹簧测力计a的读数是 N (图2中所示),则弹簧测力计b的读数可能为 N。 (2)若弹簧测力计a、b间夹角大于90,保持弹簧测力计a与弹簧OC的夹 角不变,减小弹

24、簧测力计b与弹簧OC的夹角,则弹簧测力计a的读数 、弹簧测力计b的读数 (填“变大”、“变小”或“不 变”)。,答案 (1)3.003.02 3.94.1(有效数字不作要求) (2)变大 变大 解析 保持弹簧OC伸长1.00 cm不变,其弹力F弹=kx=5001.0010-2 N =5 N保持不变。 (1)在图1中,弹簧测力计a、b的拉力Fa、Fb的合力F=F弹,如图所示。 读图2可知Fa=3.00 N 故Fb= =4.00 N (2)减小弹簧测力计b与弹簧OC的夹角意味着增大上图 中Fb与F的夹角,根据平行四边形定则可知Fa、Fb均变大。,4.(2019广东广州期末)一同学用电子秤、水壶、细

25、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

26、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在误差允许的范围内重合 解析 (1)要测量装满水的水壶的重力,则应记下水壶静止时电子秤的示数F。 (2)要画出平行四边形,则需要记录分力的大小和方向,所以在白纸上记 下结点O的位置的同时,也要记录三根细线的方向以及电子秤的示数F1。 (3)已经记录了一个分力的大小,还要记录另一个分力的大小,则结点O 的位置不能变化,力的方向也都不能变化,所以应使结点O的位置和三根 细线的方向与(2)中重合,记录电子秤的示数F2。 (4)根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F的图示,若F和

27、F在误差允 许的范围内重合,则平行四边形定则得到验证。,5.某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。 实验步骤: 将弹簧测力计固定在贴有白纸的竖直木板上,使其轴线沿竖直方向。 如图甲所示,将环形橡皮筋一端挂在弹簧测力计的挂钩上,另一端用 圆珠笔尖竖直向下拉,直到弹簧测力计示数为某一设定值时,将橡皮筋 两端的位置标记为O1、O2,记录弹簧测力计的示数F,测量并记录O1、O2 间的距离(即橡皮筋的长度l)。每次将弹簧测力计示数改变0.50 N,测出 所对应的l,部分数据如下表所示:,甲,找出中F=2.50 N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。,在挂钩上涂抹少许润滑油

28、,将橡皮筋搭在挂钩上,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,使挂钩的下端达到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。,乙,完成下列作图和填空: (1)利用表中数据在图丙中画出F-l图线,根据图线求得l0= cm。,丙,(2)测得OA=6.00 cm,OB=7.60 cm,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。,丁,(4)通过比较F与 的大小和方向,即可得出实验结论。,答案 (1)如图1所示 10.0(9.8、9.9、10.1均正确) (2)1.80(1.701.90均正确) (3)如

29、图2所示 (4)FOO,图1 图2,解析 (1)根据表格数据,作出F-l图线,图线的横截距即表示橡皮筋原 长,因此l0=10.0 cm。 (2)橡皮筋总长l=OA+OB=13.60 cm,根据F-l图线,可读出橡皮筋长度l= 13.60 cm时橡皮筋的拉力为1.80 N。 (3)根据平行四边形定则作图,对角线表示合力F。 (4)若F与FOO在误差范围内大小相等、方向相同,就表明力的平行四边 形定则是正确的。,6.(2017广东佛山一中模拟)某实验小组用一只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

30、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:,.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 处,记下弹簧测力计的示数F; .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F1; .根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1= ; .比较 ,即可初步验证; .只改变绳套2的方向,重复上述实验步骤。,回答下列问题: (1)完成实验步骤: ; ; (2)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,答案 (1) F F1和F1 (2)A,解析 (1)由平行四边形定则计算绳套1的拉力 F1=F tan 30= F 通过比较F1和F1,在误差允许的范围内相同,则可初步验证。 (2)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示 意图,如图所示:,由示意图可知,绳套1的拉力大小逐渐增大,故A对。,