高三一轮复习课件物理第2章相互作用力实验3探究两个互成角度的力的合成规律

探究两个互成角度的力的合成规律实验3内容索引0102必备知识落实实验能力形成03巩固提升检测必备知识落实一、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1.等效法: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同一点,所以一个力F'就是这两个力F1和F2的合力,作出力F'的图示。2.平行四边形法:根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示。3.验证:比较F和F'的大小和方向是否相同,若在误差允许的范围内相同,则验证了力的平行四边形定则。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示数,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,记下弹簧测力计的示数和细绳套的方向。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'是否完全重合或几乎重合,从而验证平行四边形定则。六、误差分析1.系统误差:弹簧测力计本身不够准确造成的误差,为此要选择比较准确的弹簧测力计。2.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。3.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)作图时用刻度尺借助于三角板,使表示两力的对边一定要平行。七、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线处,若指针不在零刻度线处,要设法调整使其指在零刻度线处;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.细绳应适当长一些,便于确定拉力的方向。不要直接沿细绳的方向画直线,应在细绳末端用铅笔画一个点,再将所标点与O点连接,即可确定拉力的方向。3.在同一次实验中,橡皮条与绳的结点到达的位置一定要相同。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60°~100°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。实验能力形成能力形成点1实验原理与操作【例1】

某同学做验证力的平行四边形定则的实验,如图甲所示,A处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。(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____________。

F'(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B(3)实验时,主要的步骤:A.在桌上放一块木板,在木板上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在木板上;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;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__________________________________________________。

CEC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”解析:(1)由一只弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向;两只弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力,根据平行四边形定则作出两弹簧测力计拉力的合力,由于误差的存在,不一定沿AO方向,故一定沿AO方向的是F'。(2)一个力的作用效果与两个力的作用效果相同,它们的作用效果可以等效替代,故B正确。(3)①有重要遗漏的步骤的序号是C、E。②在C中未记下两条细绳的方向,E中未说明是否把橡皮条的结点拉到同一位置O。规律总结操作不忘“三”“二”“一”用两只弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置),用一只弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)等。能力形成点2实验数据处理与误差分析【例2】

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。②如图甲所示,将环形橡皮条一端挂在弹簧测力计的挂钩上,另一端用圆珠笔尖沿竖直方向下拉,直到弹簧测力计示数为某一设定值时,将橡皮条两端的位置标记为O1、O2,记录弹簧测力计的示数F,测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮条的长度l)。每次将弹簧测力计示数改变0.50N,测出所对应的l,部分数据如下表所示:③找出②中F=2.50N时橡皮条两端的位置,重新标记为O、O',橡皮条的拉力记为FO

O'。④在挂钩上涂抹少许润滑油,将橡皮条搭在挂钩上,如图乙所示。用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮条的两端,使挂钩的下端达到O点,将两笔尖的位置标记为A、B,橡皮条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:(1)利用表中数据在如图所示的坐标纸上画出F-l图线,根据图线求得l0=____________cm。

10.0(9.8、9.9、10.1均正确)(2)测得lOA=6.00cm,lOB=7.60cm,则FOA的大小为____________N。

(3)根据给出的标度,在图中作出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。

1.80(1.70~1.90均正确)FOO'解析:(1)作出F-l图线,由F=k(l-l0)可得,直线与横轴的截距即为l0,由图线可知,l0=10.0

cm。(2)由题干表格可知,F=1.50

N时,l=13.00

cm,则弹簧的劲度系数

=50

N/m;若lOA=6.00

cm,lOB=7.60

cm,则橡皮条拉力FOA=k·Δl'=50×(6.00+7.60-10.00)×10-2

N=1.80

N。(3)见答案(4)由图可知F'为作图法所得到的合力,FOO'为真实合力,F'与FOO'不完全重合,存在一定误差,但在误差允许范围内,可得出实验结论。规律总结1.数据处理——作图法在探究求合力的方法实验中,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,只要在误差范围内可以认为合力F与合力F'重合,即可验证平行四边形定则,如图所示。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,这样得到的两个弹簧测力计的水平分力的实际合力比由作图法得到的合力要小。(2)结点O的位置和两个弹簧测力计的方向画得不准,造成作图的误差。(3)作图比例不恰当造成作图误差。能力形成点3实验探究拓展【例3】某实验小组用一只弹簧测力计和一个量角器等器材研究两个互成角度力的合成规律,设计的实验装置如图所示。固定在竖直木板上的量角器直边水平,橡皮条一端固定在量角器圆心O的正上方A点,另一端系绳套1和绳套2。(1)实验步骤如下:①弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮条,使橡皮条的结点到达O点,记下弹簧测力计的示数F;②弹簧测力计挂在绳套1上,手拉着绳套2,缓慢拉橡皮条,使橡皮条的结点达到O点,此时绳套1沿0°方向,绳套2沿120°方向,弹簧测力计的示数为F1;③根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1'=____________;

④比较________________________,即可初步验证力的平行四边形定则。F1与F1'的大小

(2)将绳套1由0°方向缓慢转动到60°方向,同时绳套2沿120°方向不变,此过程中保持橡皮条的结点在O点不动,关于绳套1的拉力大小的变化,下列结论正确的是____________。

A.逐渐增大B.先增大后减小C.逐渐减小D.先减小后增大D解析:(1)③根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力

;④比较F1和F1'的大小,即可初步验证力的平行四边形定则。(2)保持绳套2方向不变,绳套1从0°方向向下缓慢转动60°,此过程中保持橡皮条的结点在O点不动,说明两个绳套拉力的合力不变,作图如下。

由图可知,绳套1的拉力先减小后增大,故A、B、C错误,D正确。巩固提升检测1.(2023·全国乙卷)在验证力的平行四边形定则的实验中使用的器材有木板、白纸、两个标准弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、刻度尺、铅笔、细线和图钉若干。完成下列实验步骤:①用图钉将白纸固定在水平木板上。②将橡皮条的一端固定在木板上,另一端系在轻质小圆环上。将两细线也系在小圆环上,它们的另一端均挂上弹簧测力计。用互成一定角度、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个弹簧测力计,小圆环静止时由两个弹簧测力计的示数得到两拉力F1和F2的大小,并

。(多选,填正确答案标号)

A.用刻度尺量出橡皮条的长度B.用刻度尺量出两细线的长度C.用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置D.用铅笔在白纸上标记出两细线的方向CD③撤掉一个弹簧测力计,用另一个弹簧测力计把小圆环拉到

,由弹簧测力计的示数得到拉力F的大小,沿细线标记此时F的方向。

④选择合适标度,由步骤②的结果在白纸上根据力的平行四边形定则作F1和F2的合力的图示,得出合力F'的大小和方向;按同一标度在白纸上画出力F的图示。⑤比较F'和F的

,从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则。

步骤②中标记的小圆环的同一位置

大小和方向在误差允许的范围内是否一致

2.在做探究求合力的方法实验时。(1)该实验所用的一只弹簧测力计如图所示,在用它测力前应对它进行的操作是____________。

调零

(2)把橡皮条的一端固定在木板上,用两个弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点,以下操作正确的是____________。

A.同一次实验过程中,O点位置允许变动B.实验中,弹簧测力计必须与木板平行,读数时视线要正对弹簧测力计刻度C.实验中,先将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程,然后只需调节另一弹簧测力计拉力的大小和方向,把橡皮条另一端拉到O点D.实验中,把橡皮条的另一端拉到O点时,两弹簧测力计之间夹角应取90°,以便于算出合力的大小B(3)该实验思想是等效思想,其等效性是指____________。

A.使两分力与合力满足平行四边形定则B.使两次橡皮条与细绳套的结点都与某点O重合C.使两次橡皮条伸长的长度相等D.使弹簧测力计在两种情况下发生相同的形变B(4)以下为该同学在作平行四边形时的某一瞬间(刻度尺固定),其中正确的操作是____________。

ABCC解析:(1)为保证实验过程中减小误差,弹簧测力计测量前必须进行欧姆调零。(2)为了使两次拉橡皮条效果相同,要求两次要将O点拉到同一位置,故A错误。实验中为了减小误差,弹簧测力计必须保持与木板平行,读数时为了减小误差,要求视线要正对弹簧测力计刻度,故B正确。实验中,弹簧测力计的读数大小适当,便于作平行四边形即可,并非要求一定达到最大量程,故C错误。实验过程中两弹簧测力计的夹角要适当,并非要求达到90°,非特殊角度也可,故D错误。(3)在实验中,采用了“等效法”,即要求两次拉橡皮条到同一点O,从而使橡皮条产生的形变大小和方向都相同,故A、C、D错误,B正确。(4)在根据平行四边形定则求两个分力的合力时,要保证平行四边形对边完全平行,故A、B错误,C正确。3.如图所示的实验装置可以用来验证力的平行四边形定则,带有滑轮的方木板竖直放置,为了便于调节绳子拉力的方向,滑轮可以安放在木板上的多个位置。