高三物理一轮复习《实验验证力的平行四边形定则》.ppt

实验三 验证力的平行四边形定则,【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.学会用作图法处理实验数据和得出实验结论。,【实验器材】 方木板、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)、铅笔。,【实验过程】 1.仪器安装: (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。,2.测量与记录: (1)用两只弹簧测力计分别钩住细绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置O。记录两弹簧测力计的读数F1、F2,用铅笔描下O点的位置及此时两细绳的方向。,(2)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F和细绳套的方向。 (3)改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再重做两次实验。,【数据处理】 1.用铅笔和刻度尺从力的作用点(位置O)沿着两绳套的方向画直线,按选定的标度作这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,利用刻度尺和三角板以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,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。,【误差分析】,【注意事项】 1.使用弹簧测力计前,要先观察指针是否指在零刻度处,若指针不在零刻度处,要设法调整指针,使其指在零刻度处。再将两只弹簧测力计的挂钩钩在一起,向相反方向拉,如果两个示数相同方可使用。,2.实验中的两个细绳套不要太短。 3.在同一次实验中,使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。 4.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之间为宜。,5.在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内。要防止弹簧测力计卡壳,防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦。 6.在同一实验中,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。,热点一 对实验原理和数据处理的考查 【典例1】(2015山东高考)某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。 实验步骤: 将弹簧秤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:,找出中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。,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。,完成下列作图和填空: 世纪金榜导学号42722046 (1)利用表中数据在给出的坐标纸上画出F-l图线,根据图线求得l0= cm。,(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。,(4)通过比较F与 的大小和方向,即可得出实验结论。,【解题指导】 (1)命题立意:本题主要考查验证力的平行四边形定则的实验步骤和数据处理。 (2)解题关键:解答本题应注意以下两点: 根据胡克定律结合图象求出l0。 画力的图示时,要严格按照要求用尺规作图。,【解析】(1)F-l图线的横轴截距表示F=0时橡皮筋l的值,因此F-l图线的横轴截距即表示橡皮筋原长, l0=10.0 cm。 (2)橡皮筋总长度l=6.00 cm+7.60 cm=13.60 cm,在F-l图线上找到与13.60 cm对应的弹力F=1.80 N。,(3)根据平行四边形定则,作出平行四边形并求出对角线表示的力F。 (4)因为F是根据平行四边形定则求出的,FOO是实际测量出的,如果在误差允许范围内,F与FOO近似相等,就验证了平行四边形定则。,答案:(1)如图所示 10.00(9.80、9.90、10.10均正确),(2)1.80(1.701.90均正确) (3)如图所示 (4)FOO,【强化训练】 1.用如图甲所示的装置做“验证力的平行四边形定则”实验。,(1)某同学的实验操作如下,请完成相关内容。 在桌面上放一方木板,在方木板上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在方木板上。 用图钉把橡皮条一端固定在A点,另一端系上两根细绳,细绳的另一端系有绳套。 用两个弹簧测力计分别钩住绳套,互成角度地拉橡皮条,橡皮条伸长,使结点到达某一位置O。记下O点的位置,读出两个弹簧测力计的示数,并 。,按选好的标度,用铅笔和刻度尺作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,并用平行四边形定则求出合力F。 只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O, ,记下细绳的方向,按同一标度作出这个力F的图示。,(2)某次实验中弹簧测力计的示数如图乙所示,则两弹 簧测力计的拉力的大小分别为 N、 N。,(3)某同学完成验证力的平行四边形定则实验操作后得到的数据如图丙,请选合适标度在方框中作图完成该同学未完成的实验处理。 结论: 。,(4)若两个弹簧测力计的读数分别为3.00N、4.00 N,且 两弹簧测力计拉力方向的夹角为锐角,则 (选 填“能”或“不能”)用一个量程为5N的弹簧测力计测 出它们的合力,理由是 。,【解析】(1)用两个弹簧测力计分别钩住绳套,互成角度地拉橡皮条,橡皮条伸长,使结点到达某一位置O,此时需要用铅笔记下O点的位置和两条细绳的方向,读出两个弹簧测力计的示数。 只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O,此时需要读出弹簧测力计的示数,并记下细绳的方向。,(2)两个弹簧测力计的读数分别为2.50N和4.00 N。 (3)如图所示,根据所作的图象可得到的结论是在误差允许范围内,合力与分力是等效替代的关系,且互成角度的两个力合成时遵循平行四边形定则。,(4)不能 3.00N和4.00 N两个力的合力会大于5 N,超过弹簧测力计的量程 答案:(1)记下两条细绳的方向 读出弹簧测力计的示数 (2)2.50 4.00 (3)见解析 在误差允许范围内,合力与分力是等效替代的关系,且互成角度的两个力合成时遵循平行四边形定则 (4)不能 超过弹簧测力计的量程,2.(2017福州模拟)小明同学在做“互成角度的两个力的合成”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和方向,某一次实验结果如图所示。,(1)在图中作出F1和F2的合力,并用F表示此力。 (2)若图中小正方形的边长表示1N,F1、F2与F的夹角分别为1和2,关于F1、F2与F、1和2关系正确的有 。 A.F1=6N B.F=8N C.1=45 D.12 (3)有关此实验,下列叙述正确的是 。 A.在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行,B.两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大 C.橡皮筋的拉力是合力,两弹簧测力计的拉力是分力 D.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 E.若只增大某一个弹簧测力计的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变,只需调整一个弹簧测力计拉力的大小即可,【解析】(1)根据平行四边形定则作出合力的大小,如图所示:,(2)图中小正方形的边长表示1N,由图可知,F1=3 N 4.2 N,F=8N,根据几何关系知,F1与F的夹角为45, 12,故B、C正确,A、D错误。 (3)在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平 面平行,故A正确;两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮 筋的拉力大,即拉力的大小可以大于合力的大小,故B,正确;两弹簧测力计拉力的合力与橡皮筋拉力等值反向,两弹簧测力计的拉力是分力,但是橡皮筋的拉力与合力等大反向,故C错误;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,故D正确;结点位置不变,合力不变,当一个弹簧测力计的拉力大小改变时,另一个弹簧测力计的拉力的大小和方向必须都改变,故E错误。 答案:(1)见解析 (2)B、C (3)A、B、D,【反思归纳】数据处理的两点注意 (1)根据实验数据选取合适的标度,并严格按照标度作出力的图示。 (2)规范作出平行四边形,画出对角线。,热点二 对实验步骤和误差分析的考查 【典例2】 (2017莆田模拟)某同学在家中尝试验证 力的平行四边形定则,他找到三条长度和 粗细相同的橡皮筋(遵循胡克定律),以及 重物、刻度尺、三角板、铅笔、细绳、 白纸、钉子等。他设计了如下实验: 将三条橡皮筋的一端系在一起,另一端分别连一个绳套。,他分别向两边拉住任意两个绳套,测量橡皮筋的长度是否相等。 在墙上A、B两点钉两个钉子,将白纸固定在墙面上合适的位置,再将橡皮筋的两个绳套挂在两钉子上,测出此时三条橡皮筋的长度。 将重物挂在第三个绳套C上,测出并记录三条橡皮筋的长度并记下结点O的位置。,取下白纸,画出受力图,验证平行四边形定则。 换用不同的重物并改变A、B的位置重复实验。 世纪金榜导学号42722047,(1)实验步骤的目的是 。 (2)实验步骤中,有一个重要遗漏是 。 (3)实验步骤中 (选填“需要”或“不需要”)保证O点位置不变。 (4)为了减小实验误差,下述做法正确的是 。 A.A、B要一样高 B.A、B距离要适当 C.重物质量不能太大 D.橡皮筋要与墙面平行,【思考探究】(1)实验时需要记录橡皮筋的拉力大小 和_。,方向,(2)本实验验证力的平行四边形定则的依据是什么? 提示:结点O处于平衡状态,所受合力为零,通过任意两个力的合力与第三个力是否等值反向验证力的平行四边形定则。,(3)实验中的误差主要是由橡皮筋的各力是否在_ _,拉力的大小和_是否合适等因素造成的。,同一,平面内,方向,【解析】(1)他分别向两边拉住任意两个绳套,测量橡皮筋的长度是否相等,目的是判断橡皮筋的劲度系数是否相同。 (2)实验步骤中,有一个重要遗漏是记下拉力的方向。,(3)该实验,橡皮筋遵守胡克定律,结点O处于平衡状态,所受合力为零,通过任意两个力的合力与第三个力是否等值反向验证力的平行四边形定则,不需要保证O点的位置不变。,(4)在该实验中,A、B不一定要一样高,但是A、B的距离要适当,不能太大,也不能太小,所挂重物的质量也要适当,不能太大,拉力的方向与墙面平行,则橡皮筋与墙面需平行,故A错误,B、C、D正确。 答案:(1)判断橡皮筋的劲度系数是否相同 (2)记下拉力的方向 (3)不需要 (4)B、C、D,【强化训练】 1.(2015安徽高考)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,如图所示。请将以下的实验操作和处理补充完整:,(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,并做出相应的改进后再次进行实验。,【解析】用一个弹簧测力计把橡皮条的结点拉到位置O后,除了记录测力计的示数F3的大小外,还要记录拉力F3的方向,作出F3的图示,与F1、F2的合力F比较即可验证。 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 (6)F和F3,2.(1)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,细绳的另一端都有绳套(如图甲)。实验中需用两个弹簧测力计分别拉住绳套,并互成角度地拉橡皮条。某同学认为在此过程中必须注意以下几项:,A.两根细绳必须等长; B.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上; C.在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行。 其中正确的是 。(填入相应的字母),(2)某同学的实验结果如图乙,其中A为固定橡皮条的图钉,O为橡皮条与细绳结点的位置。图中 是F1与F2的合力的理论值; 是力F1与F2合力的实验值;通过把 和 进行比较,验证平行四边形定则。,【解析】(1)细绳的作用是能显示出力的方向,所以不必等长,故A错误;两细绳拉橡皮条时,只要确保将结点拉到同一点即可,不一定橡皮条要在两细绳的夹角平分线上,故B错误;在拉弹簧测力计时必须要求弹簧测力计与木板平面平行,否则会影响力的大小,故选项C正确。,(2)F1与F2合成的理论值是通过平行四边形定则算出的值,而实际值是单独一个力拉到O点时的值,因此F是F1与F2合成的理论值,F是F1与F2合成的实际值;在实验误差允许的范围内,比较F1与F2合成的理论值F(通过平行四边形定则得出的值)与实际值F(实际实验的数值)的关系验证平行四边形定则。 答案:(1)C (2)F F F F,【反思归纳】实验操作的三个关键点 (1)每次拉伸结果位置O必须保持不变。 (2)记下每次各力的大小和方向。 (3)各力需在同一平面内。,热点三 实验拓展与创新 【典例3】 (2017南阳模拟)用如图所示的器材和方 法可以验证“力的平行四边形定则”。在 圆形桌子透明桌面上平铺一张白纸,在桌子 边缘安装三个光滑的滑轮,其中,滑轮P1固定在桌子边, 滑轮P2、P3可沿桌边移动。第一次实验中,步骤如下:,A.在三根轻绳下挂上一定数量的钩码,并使结点O静止; B.在白纸上描下O点的位置和三根绳子的方向,以O点为起点,作出三拉力的图示; C.以绕过P2、P3绳的两个力为邻边作平行四边形,作出O点为起点的平行四边形的对角线,量出对角线的长度;,D.检验对角线的长度和绕过P1绳拉力的图示的长度是否一样,方向是否在一条直线上。 世纪金榜导学号42722048,(1)这次实验中,若一根绳挂的钩码质量为m,另一根绳 挂的钩码质量为2m,则第三根绳挂的质量一定大于 且小于 。 (2)第二次实验时,改变滑轮P2、P3的位置和相应绳上 钩码的数量,使结点平衡,绳的结点 (选填“必 须”或“不必”)与第一次实验中白纸上描下的O点重 合。实验中,若桌面不水平 (选填“会”或 “不会”)影响实验的结论。,【创新方向分析】本题用钩码的重力来替代弹簧测力计的拉力,拉力无需测量。,【解析】(1)若一根绳挂的钩码质量为m,另一根绳挂的钩码质量为2m,则两绳子的拉力分别为mg、2mg,两绳子拉力的合力F的范围是|2mg-mg|Fmg+2mg,即mgF3mg,三力的合力为零,则第三根绳挂的质量范围在m3m之间,即第三根绳挂的质量一定大于m且小于3m。,(2)本实验不是先用一根绳拉,然后用两根绳去拉,使一根绳拉的作用效果与两根绳拉的作用效果相同,而是三根绳都同时拉O点,所以O点的位置可以改变,若桌面不水平,也不会影响实验结论。 答案:(1)m 3m (2)不必 不会,【强化训练】 1.(2017佛山模拟)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,【解析】(1)根据平行四边形定则计算绳套1的拉力 F1=Ftan30= F; 通过比较F1和F1,在误差允许范围内相同,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图象,如图所示: 根据图象可知,绳套1的拉力大小逐渐增大,故A正确。 答案:(1) F F1和F1 (2)A,2.某同学利用如图甲所示的装置验证力的平行四边形定则。在竖直放置、贴有白纸