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2019-2020年高中物理 實(shí)驗(yàn)三驗(yàn)證力的平行四邊形定則解析 第一關(guān)：基礎(chǔ)關(guān)展望高考 基 礎(chǔ) 知 識(shí) （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 驗(yàn)證互成角度的兩個(gè)共點(diǎn)力的平行四邊形定則. （二）實(shí)驗(yàn)原理 結(jié)點(diǎn)受三個(gè)共點(diǎn)力作用處于平衡狀態(tài)，則F1與F2之合力必與橡皮條拉力平衡，改用一個(gè)拉力F′使結(jié)點(diǎn)仍到O點(diǎn)，則F′必與F1和F2的合力等效，以F1和F2為鄰邊作平行四邊形求出合力F，比較F′與F的大小和方向，驗(yàn)證互成角度的兩個(gè)力的合成的平行四邊形定則. （三）實(shí)驗(yàn)器材 方木板、白紙、彈簧秤(兩只)、橡皮條、細(xì)繩套(兩個(gè))、三角板、刻度尺、圖釘若干、細(xì)芯鉛筆. （四）實(shí)驗(yàn)步驟 ①用圖釘把白紙釘在放于水平桌面的方木板上. ②用圖釘把橡皮條的一端固定在A點(diǎn)，橡皮條的另一端拴上兩個(gè)細(xì)繩套. ③用兩只彈簧秤分別鉤住細(xì)繩套，互成角度地拉橡皮條，將結(jié)點(diǎn)拉到某一位置O，如圖標(biāo)記，記錄兩彈簧秤的讀數(shù)，用鉛筆描下O點(diǎn)的位置及此時(shí)兩個(gè)細(xì)繩套的方向. ④用鉛筆和刻度尺從結(jié)點(diǎn)O沿兩條細(xì)繩方向畫直線，按選定的標(biāo)度作出這兩只彈簧秤的讀數(shù)F1和F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺和三角板作平行四邊形，過O點(diǎn)畫平行四邊形的對(duì)角線，此對(duì)角線即為合力F的圖示. ⑤只用一只彈簧秤鉤住細(xì)繩套，把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到同樣的位置O，記下彈簧秤的讀數(shù)F′和細(xì)繩的方向，用刻度尺從O點(diǎn)按選定的標(biāo)度沿記錄的方向作出這只彈簧秤的拉力F′的圖示. ⑥比較一下，力F′與用平行四邊形定則求出的合力F的大小和方向. ⑦改變兩個(gè)力F1與F2的大小和夾角，重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次. （五）注意事項(xiàng) 1.實(shí)驗(yàn)時(shí)，彈簧秤必須保持與木板平行，且拉力應(yīng)沿軸線方向，以減小實(shí)驗(yàn)誤差.測量前應(yīng)首先檢查彈簧秤的零點(diǎn)是否準(zhǔn)確,注意使用中不要超過其彈性限度,彈簧秤的讀數(shù)應(yīng)估讀到其最小刻度的下一位.彈簧秤的指針,拉桿都不要與刻度板和刻度板末端的限位卡發(fā)生摩擦. 2.在滿足合力不超過彈簧秤量程及橡皮條形變不超過其彈性限度的條件下,應(yīng)使拉力盡量大一些,以減小誤差. 3.畫力的圖示時(shí),應(yīng)選定恰當(dāng)?shù)臉?biāo)度,盡量使圖畫得大一些,但也不要太大而畫出紙外,要嚴(yán)格按力的圖示要求和幾何作圖法作圖. 4.在同一次實(shí)驗(yàn)中,橡皮條拉長的結(jié)點(diǎn)O位置一定要相同. 5.由作圖法得到的F和實(shí)驗(yàn)測量得到的F′不可能完全符合,但在誤差允許范圍內(nèi)可認(rèn)為是F和F′符合即可. 第二關(guān)：技法關(guān)解讀高考 解 題 技 法 一、關(guān)于數(shù)據(jù)的記錄 技法講解 本實(shí)驗(yàn)中先用兩只彈簧秤分別鉤住細(xì)繩套，互成角度地拉橡皮條將結(jié)點(diǎn)拉到某一位置O，應(yīng)記錄此時(shí)兩彈簧秤的讀數(shù)及兩條細(xì)繩套的方向，并用鉛筆描下O點(diǎn)的位置．最后只用一只彈簧秤鉤住細(xì)繩套，把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到同樣的位置O，記下彈簧秤的讀數(shù)F′，和細(xì)繩的方向. 本實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵就是前后兩次都要把結(jié)點(diǎn)拉到同一位置，并記好彈簧秤讀數(shù)及細(xì)繩套的方向. 典例剖析 例1在做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)時(shí)： (1)除已有的器材(方木板、白紙、彈簧秤、細(xì)繩套、刻度尺、圖釘和鉛筆)外，還必須有 _______和________. (2)要使每次合力與分力產(chǎn)生相同的效果，必須（） A．每次將橡皮條拉到同樣的位置 B．每次把橡皮條拉直 C．每次準(zhǔn)確讀出彈簧秤的示數(shù) D．每次記準(zhǔn)細(xì)繩的方向 (3)為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，減小誤差，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意什么? 解析：(1)橡皮條、三角板 (2)兩個(gè)分力產(chǎn)生的效果使橡皮條的結(jié)點(diǎn)到某一位置，此時(shí)橡皮條中的彈力與兩個(gè)分力的合力相 平衡．要想每次合力與分力的效果都相同，則每次將橡皮條拉到同樣的位置．故選A． (3)應(yīng)注意：①選用彈性小的細(xì)繩；②橡皮條、細(xì)繩和彈簧秤的軸應(yīng)在同一平面上，且與板面平行 貼近等. 二、實(shí)驗(yàn)誤差的來源與分析 技法講解 本實(shí)驗(yàn)的主要誤差來源于讀數(shù)、作圖，此外還有彈簧秤本身的誤差，因此，首先應(yīng)檢查彈簧秤的 零刻線是否準(zhǔn)確．在實(shí)驗(yàn)中拉細(xì)繩時(shí)必須保持彈簧秤與板面平行，讀數(shù)時(shí)眼睛一定要正對(duì)刻線，按有效數(shù)字記錄示數(shù)，作圖時(shí)要準(zhǔn)確，兩個(gè)分力F1、F2間夾角θ不能太大或太小，要按實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行操作、讀數(shù)、作圖，即使存在誤差，也是正常的，不能用數(shù)據(jù)拼湊使實(shí)驗(yàn)非常完美，也不能只用特殊角度而不管其一般性. 典例剖析 例2在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)中，橡皮條一端固定在木板上，用兩個(gè)彈簧秤把橡皮條的另一端拉到某一位置O點(diǎn)．以下操作中錯(cuò)誤的是（） A.同一次實(shí)驗(yàn)過程中，O點(diǎn)的位置允許變動(dòng) B.在實(shí)驗(yàn)中，彈簧秤必須保持與木板平行，讀數(shù)時(shí)視線要正對(duì)彈簧秤的刻線 C.實(shí)驗(yàn)中，先將其中一個(gè)彈簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后只需調(diào)節(jié)另一彈簧秤拉力的大小和方向，把橡皮條結(jié)點(diǎn)拉到O點(diǎn) D.實(shí)驗(yàn)中，把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到O點(diǎn)時(shí)，兩秤之間的夾角應(yīng)取90不變，以便于計(jì)算合力的大小 解析：A項(xiàng)O點(diǎn)位置不允許變動(dòng)，這樣才可以使兩次效果相同；C項(xiàng)中不允許將秤的拉力大小拉 到最大量程，這樣不便于調(diào)節(jié)；D項(xiàng)中兩秤之間的夾角是任意的，使平行四邊形定則具有一般性. 本題解答的焦點(diǎn)是本實(shí)驗(yàn)的基本要求要熟悉，注意事項(xiàng)要清楚，這樣對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)過程才能有正確的把握. 答案：ACD 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出 技法講解 本實(shí)驗(yàn)是通過力的圖示法作出兩個(gè)分力F1、F2，然后用幾何方法作出對(duì)角線作為兩個(gè)分力的合力F；作出F1與F2的等效力F′,比較F、F′，看在誤差允許的范圍內(nèi)大小方向是否相同，驗(yàn)證力的平行四邊形定則.作圖時(shí)，要選擇恰當(dāng)?shù)臉?biāo)度，作的圖適當(dāng)大一些便于觀察. 典例剖析 例3如圖所示是兩位同學(xué)在做“驗(yàn)證共點(diǎn)力合成”的實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的結(jié)果，其中哪一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)?在比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的一個(gè)結(jié)果中，若F′是準(zhǔn)確的，則誤差較大的原因可能是哪些? 解析：按本實(shí)驗(yàn)的要求，F(xiàn)為F1和F2通過平行四邊形定則所得合力；F′為F1和F2的等效力，即用一只彈簧秤拉時(shí)的力．橡皮條在這個(gè)力的作用下，其力的方向與橡皮條的伸長方向在一條直線上，顯然圖(b)不符合事實(shí)，比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的是圖(a)．圖(a)中F與F′誤差較大的原因可能是：①F1的方向比真實(shí)方向偏左；②F2的大小比真實(shí)值偏小且方向比真實(shí)方向偏左；③作圖時(shí)兩虛線不與F1線和F2線平行．F是按平行四邊形定則作出的合力是理論值，用一個(gè)彈簧秤拉時(shí)測出的力F′為實(shí)驗(yàn)值．本實(shí)驗(yàn)就是要用現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，檢查已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否正確，達(dá)到驗(yàn)證的目的. 第三關(guān)：訓(xùn)練關(guān)笑對(duì)高考 隨 堂 訓(xùn) 練 1.下面列出的措施中，哪些是有利于改進(jìn)本節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的( ) A.橡皮條彈性要好，拉到O點(diǎn)時(shí)拉力適當(dāng)大些 B.兩個(gè)分力F1和F2間的夾角要盡量大些 C.拉橡皮條時(shí)，橡皮條、細(xì)繩和彈簧測力計(jì)平行貼近木板面 D.拉橡皮條的繩要細(xì)，而且要稍長一些 解析：拉力“適當(dāng)”大些能減少誤差；而夾角“盡量”大些，則使作圖誤差變大；橡皮條等“貼近”木板，目的是使拉線水平；繩細(xì)稍長便于確定力的方向性. 答案:ACD 2.在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)注意（ ） A.描點(diǎn)、作圖時(shí)的鉛筆應(yīng)尖一些，圖的比例適當(dāng)大一些 B.拉橡皮條的細(xì)繩適當(dāng)長一些 C.在用兩個(gè)彈簧測力計(jì)拉時(shí)，兩細(xì)繩間的夾角盡量大些 D.在用兩個(gè)彈簧測力計(jì)拉時(shí)，兩個(gè)彈簧測力計(jì)的示數(shù)適當(dāng)大些 解析：作圖時(shí)比例大些，使彈簧測力計(jì)的示數(shù)大些，可以減小相對(duì)誤差.拉橡皮條的細(xì)繩長些，可使記錄繩方向的點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)O的距離大些，減小連線時(shí)的誤差.因此A、B、D選項(xiàng)所述都能起到減小相對(duì)誤差的作用.在實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)分力F1、F2的夾角θ越大，用平行四邊形作圖時(shí)得出的合力F的誤差也越大，所以在實(shí)驗(yàn)中不能把角θ取得太大. 答案：ABD 3.在“互成角度的兩個(gè)力的合成”實(shí)驗(yàn)中，橡皮條的一端固定在A點(diǎn)，另一端被兩個(gè)彈簧秤拉到O點(diǎn)，如圖甲所示.兩彈簧秤讀數(shù)分別為F1和F2，細(xì)繩方向分別與OA直線延長線的夾角為α1和α2，如圖乙所示.以下說法中正確的是( ) A.O點(diǎn)位置不變，合力不變 B.用平行四邊形定則求得的合力F一定沿OA直線方向 C.若不改變O和α1，F(xiàn)1增大，F(xiàn)2必減小 D.合力必大于F1或F2 答案:A 4.李明同學(xué)在做“互成角度的兩個(gè)力的合成”實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用坐標(biāo)紙記下了橡皮筋的結(jié)點(diǎn)位置O點(diǎn)以及兩只彈簧秤拉力的大小，如圖（a)所示， （1）試在圖(a)中作出無實(shí)驗(yàn)誤差情況下F1和F2的合力圖示，并用F表示此力. (2)有關(guān)此實(shí)驗(yàn)，下列敘述正確的是________. A.兩彈簧秤的拉力可以同時(shí)比橡皮筋的拉力大 B.橡皮筋的拉力是合力，兩彈簧秤的拉力是分力 C.兩次拉橡皮筋時(shí)，需將橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉到同一位置O.這樣做的目的是保證兩次彈簧秤拉力的效果相同 D.若只增大某一只彈簧秤的拉力大小而要保證橡皮筋結(jié)點(diǎn)位置不變，只需調(diào)整一只彈簧秤拉力的大小即可 (3)圖(b)所示是李明和張華兩位同學(xué)在做以上實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的結(jié)果,其中哪一個(gè)實(shí)驗(yàn)比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)？（力F′是用一只彈簧秤拉時(shí)的圖示） 答：___________________________________________. (4)在以上比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的一位同學(xué)中，造成誤差的主要原因是：（至少寫出兩種情況） 答：___________________________________________. 答案：（1） （2）AC （3）張華做的符合實(shí)驗(yàn)事實(shí) （4）1、F1的方向比真實(shí)方向偏左.2、F2的大小比真實(shí)值偏小且方向比真實(shí)方向偏左.3、作圖時(shí)兩條虛線不分別與F1線和F2線平行. 5.在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)情況如圖甲所示，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)，OB和OC為細(xì)繩.圖乙是在白紙上根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫出的圖. （1）圖乙中的_______是力F1和F2的合力的理論值；_________是力F1和F2的合力的實(shí)際測量值. （2）在實(shí)驗(yàn)中，如果將細(xì)繩也換成橡皮筋，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否會(huì)發(fā)生變化？ 答：___________.（選填“變”或“不變”） 解析：（1）F1和F2的合力從理論上講應(yīng)該是F，因?yàn)樗鼈兊暮狭男Ч现v就是使結(jié)點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)位置，而用一個(gè)彈簧秤拉的效果也是使結(jié)點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)位置，所以F1和F2的合力方向從理論上應(yīng)該與AO在同一直線上.但在實(shí)驗(yàn)時(shí)F1和F2的大小和方向有誤差，所以F′是F1和F2的測量值. （2）若將細(xì)繩換成橡皮筋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)發(fā)生變化，在實(shí)驗(yàn)時(shí)只要每次把結(jié)點(diǎn)拉到O點(diǎn)位置，效果是一樣的. 答案：（1）F F′（2）不變 6.如圖所示，在共點(diǎn)力合成的實(shí)驗(yàn)中橡皮筋一端固定于P點(diǎn)，另一端連接兩個(gè)彈簧秤，使這端拉至O點(diǎn)，現(xiàn)使F2大小不變地沿順時(shí)針轉(zhuǎn)過某一角度，相應(yīng)地使F1的大小及圖中β角發(fā)生變化.則相應(yīng)的變化可能是( ) A.F1一定增大 B.F1也可能減小 C.F1若增大，β角一定減小 D.F1若增大，β角可能增大 解析：O點(diǎn)位置不變說明F1,F2合力不變，以O(shè)點(diǎn)為圓心，以F2為半徑做圓：矢量三角形關(guān)系，由圖可看出β角先增大后減小而F1一直增大.當(dāng)F1與F2垂直時(shí)β角最大. 答案：AD