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2019版高考物理必考實驗精細精講 實驗三 驗證力的平行四邊形定則學案 目錄 課前預習基礎落實 課堂互動考點突破 【實驗目的】 1．驗證互成角度的兩個共點力合成時的平行四邊形定則。 2．培養(yǎng)學生應用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)和得出結論的能力。 【實驗原理】 (1)等效法：一個力F′的作用效果和兩個力F1、F2的作用效果都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長到同一點，所以一個力F′就是這兩個力F1和F2的合力，作出力F′的圖示，如圖實Ⅲ－1所示。 (2)平行四邊形法：根據(jù)平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示。 (3)驗證：比較F和F′的大小和方向是否相同，若在誤差允許的范圍內(nèi)相同，則驗證了力的平行四邊形定則。 【實驗器材】 方木板一塊、白紙、彈簧測力計(兩只)、橡皮條、細繩套(兩個)、三角板、刻度尺、圖釘(幾個)、細芯鉛筆。 【實驗過程】 1．在水平桌面上平放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙固定在方木板上。 2．用圖釘把橡皮條的一端固定在板上的A點，在橡皮條的另一端拴上兩條細繩，細繩的另一端系上細繩套。 3．用兩個彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，將結點拉到某一位置O，如圖實Ⅲ－2所示。 4．用鉛筆描下O點的位置和兩條細繩的方向，讀出并記錄兩個彈簧測力計的示數(shù)。 5．用鉛筆和刻度尺在白紙上從O點沿兩條細繩的方向畫直線，按一定的標度作出兩個力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點的平行四邊形的對角線即為合力F。 6．只用一個彈簧測力計，通過細繩把橡皮條的結點拉到同樣的位置O，讀出并記錄彈簧測力計的示數(shù)，記下細繩的方向，按同一標度用刻度尺從O點作出這個力F′的圖示。 7．比較F′與用平行四邊形定則求出的合力 F的大小和方向，看它們在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等。 8．改變F1和F2的大小和方向，再做兩次實驗。 【注意事項】 1．同一實驗中的兩只彈簧測力計的選取方法是：將兩只彈簧測力計調(diào)零后互鉤對拉，若兩只彈簧測力計在對拉過程中，讀數(shù)相同，則可選；若讀數(shù)不同，應另換，直至相同為止。 2．在同一次實驗中，使橡皮條拉長時，結點O的位置一定要相同。 3．用兩只彈簧測力計鉤住繩套互成角度地拉橡皮條時，夾角不宜太大也不宜太小，在60～100之間為宜。 4．讀數(shù)時應注意使彈簧測力計與木板平行，并使細繩套與彈簧測力計的軸線在同一條直線上，避免彈簧測力計的外殼與彈簧測力計的限位卡之間有摩擦。 5．細繩套應適當長一些，便于確定力的方向。不要直接沿細繩套的方向畫直線，應在細繩套末端用鉛筆畫一個點，去掉細繩套后，再將所標點與O點連接，即可確定力的方向。 6．在同一次實驗中，畫力的圖示所選定的標度要相同，并且要恰當選取標度，使所作力的圖示稍大一些。 【誤差分析】 1．誤差來源：除彈簧測力計本身的誤差外，還有讀數(shù)誤差、作圖誤差等。 2．減小誤差的辦法： (1)實驗過程中讀數(shù)時眼睛一定要正視彈簧測力計的刻度，要按有效數(shù)字和彈簧測力計的精度正確讀數(shù)和記錄。 (2)作圖時用刻度尺借助于三角板，使表示兩力的對邊一定要平行。 課堂互動考點突破 考點一　實驗的原理與操作 [例1]　某同學做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖實Ⅲ－3甲所示，其中A為固定橡皮條的圖釘，O為橡皮條與細繩的結點，OB和OC為細繩。圖實Ⅲ－3乙是在白紙上根據(jù)實驗結果畫出的圖。 (1)如果沒有操作失誤，圖乙中的F與F′兩力中，方向一定沿AO方向的是________。 (2)本實驗采用的科學方法是________。 A．理想實驗法　　　　　 B．等效替代法 C．控制變量法 D．建立物理模型法 (3)實驗時，主要的步驟是： A．在桌上放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上； B．用圖釘把橡皮條的一端固定在板上的A點，在橡皮條的另一端拴上兩條細繩，細繩的另一端系著繩套； C．用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結點到達某一位置O。記錄下O點的位置，讀出兩個彈簧測力計的示數(shù)； D．按選好的標度，用鉛筆和刻度尺作出兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并用平行四邊形定則求出合力F； E．只用一只彈簧測力計，通過細繩套拉橡皮條使其伸長，讀出彈簧測力計的示數(shù)，記下細繩的方向，按同一標度作出這個力F′的圖示； F．比較F′和F的大小和方向，看它們是否相同，得出結論。 上述步驟中：①有重要遺漏的步驟的序號是________和________； ②遺漏的內(nèi)容分別是__________和____________。 [解析]　 (1)由一個彈簧測力計拉橡皮條至O點的拉力一定沿AO方向；而根據(jù)平行四邊形定則作出的合力，由于誤差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F′。 (2)一個力的作用效果與兩個力的作用效果相同，它們的作用效果可以等效替代，故B正確。 (3)①根據(jù)“驗證力的平行四邊形定則”實驗的操作規(guī)程可知，有重要遺漏的步驟的序號是C、E。 ②在C中未記下兩條細繩的方向，E中未說明是否把橡皮條的結點拉到同一位置O。 [答案]　(1)F′　(2)B　(3)①C　E?、贑中應加上“記下兩條細繩的方向”　E中應說明“把橡皮條的結點拉到同一位置O” [點評]　 ①兩次的效果相同是指兩次橡皮條拉伸的方向和伸長量均相同，即需拉到同一位置O。 ②用一個彈簧測力計拉時，拉力的方向一定沿橡皮條的拉伸方向。 針對訓練： 1． (安徽理綜)在“驗證力的平行四邊形定則”實驗中，某同學用圖釘把白紙固定在水平放置的木板上，將橡皮條的一端固定在板上一點，兩個細繩套系在橡皮條的另一端。用兩個彈簧測力計分別拉住兩個細繩套，互成角度地施加拉力，使橡皮條伸長，結點到達紙面上某一位置，如圖實Ⅲ－4所示。請將以下的實驗操作和處理補充完整： (1)用鉛筆描下結點位置，記為O； (2)記錄兩個彈簧測力計的示數(shù)F1和F2，沿每條細繩(套)的方向用鉛筆分別描出幾個點，用刻度尺把相應的點連成線； (3)只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結點仍拉到位置O，記錄測力計的示數(shù)F3，_________________________________________； (4)按照力的圖示要求，作出拉力F1、F2、F3； (5)根據(jù)力的平行四邊形定則作出F1和F2的合力F； (6)比較________的一致程度，若有較大差異，對其原因進行分析，并作出相應的改進后再次進行實驗。 解析　(3)沿此時細繩(套)的方向用鉛筆描出幾個點，用刻度尺把這些點連成直線。 (6)為了驗證力的平行四邊形定則，需比較合力F與拉力F3的一致程度。 答案　(3)見解析　(6)F和F3 考點二　實驗數(shù)據(jù)的處理 [例2]　 (山東理綜)某同學通過下述實驗驗證力的平行四邊形定則。 實驗步驟： ①將彈簧秤固定在貼有白紙的豎直木板上，使其軸線沿豎直方向。 ②如圖實Ⅲ－5所示，將環(huán)形橡皮筋一端掛在彈簧秤的秤鉤上，另一端用圓珠筆尖豎直向下拉，直到彈簧秤示數(shù)為某一設定值時，將橡皮筋兩端的位置標記為O1、O2，記錄彈簧秤的示數(shù)F，測量并記錄O1、O2間的距離(即橡皮筋的長度l)。每次將彈簧秤示數(shù)改變0.50 N，測出所對應的l，部分數(shù)據(jù)如下表所示： ③找出②中F＝2.50 N時橡皮筋兩端的位置，重新標記為O、O′，橡皮筋的拉力記為FOO′。 ④在秤鉤上涂抹少許潤滑油，將橡皮筋搭在秤鉤上，如圖實Ⅲ－6所示。用兩圓珠筆尖成適當角度同時拉橡皮筋的兩端，使秤鉤的下端達到O點，將兩筆尖的位置標記為A、B，橡皮筋OA段的拉力記為FOA，OB段的拉力記為FOB。 完成下列作圖和填空： (1)利用表中數(shù)據(jù)在圖實Ⅲ－7中畫出F－l圖線，根據(jù)圖線求得l0＝________cm。 (2)測得OA＝6.00 cm，OB＝7.60 cm，則FOA的大小為________N。 (3)根據(jù)給出的標度，在圖實Ⅲ－8中作出FOA和FOB的合力F′的圖示。 (4)通過比較F′與________的大小和方向，即可得出實驗結論。 [解析] 　(1)根據(jù)表格數(shù)據(jù)，作出F－l圖線見下圖，圖線的截距即表示橡皮筋原長，因此l0＝10.0 cm。 (2)橡皮筋總長l＝OA＋OB＝13.60 cm，根據(jù)F－l圖線，可讀出彈簧長度l＝13.60 cm時橡皮筋的拉力為1.80 N。 (3)根據(jù)平行四邊形定則作圖，對角線表示合力F′。見下圖。 (4)若F′與FOO′在誤差范圍內(nèi)大小相等、方向相同，就表明力的平行四邊形定則是正確的。 [答案]　(1)作圖見解析　10.0(9.8，9.9，10.1均正確) (2)1.80(1.70～1.90均正確)　(3)作圖見解析　(4)FOO′ 針對訓練： 2．“探究求合力的方法”的實驗裝置如圖實Ⅲ－9甲所示。 (1)某次實驗中，彈簧測力計的指針位置如圖實Ⅲ－9甲所示。其中，細繩CO對O點的拉力大小為________N； (2)請將圖甲中細繩CO和BO對O點兩拉力的合力F合畫在圖乙上，由圖求出合力的大小F合＝________N(保留兩位有效數(shù)字)； (3)某同學對彈簧測力計中彈簧的勁度系數(shù)是多少很感興趣，于是，他將刻度尺與彈簧測力計平行放置，如圖丙所示，利用讀得的數(shù)據(jù)，他得出了彈簧的勁度系數(shù)，那么，該彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m(保留兩位有效數(shù)字)。 解析　 (1)由圖甲可讀出CO對O點的拉力大小為2.60 N。 (2)在圖乙上的畫圖如圖所示，結合作圖可求知合力大小為5.1 N。 (3)由圖丙可知，彈簧測力計零刻度線對應5.0 mm，2. 60 N對應48.0 mm，由胡克定律，F(xiàn)＝kx，解得k＝F/x＝60 N/m。 答案　(1)2.60　(2)圖見解析　5.1　(3)60 考點三　創(chuàng)新實驗設計(實驗器材創(chuàng)新) [例3]　(衡陽模擬)如圖實Ⅲ－10所示，某實驗小組同學利用DIS實驗裝置研究支架上力的分解。A、B為兩個相同的雙向力傳感器，該型號傳感器在受到拉力時讀數(shù)為正，受到壓力時讀數(shù)為負。A連接質(zhì)量不計的細繩，可沿固定的板做圓弧形移動。B固定不動，通過光滑鉸鏈連接長0.3 m的桿。將細繩連接在桿右端O點構成支架。保持桿在水平方向，按如下步驟操作： ①測量繩子與水平桿的夾角∠AOB＝θ ②對兩個傳感器進行調(diào)零 ③用另一根繩在O點懸掛一個鉤碼，記錄兩個傳感器的讀數(shù) ④取下鉤碼，移動傳感器A改變θ角 重復上述實驗步驟，得到表格。 (1)根據(jù)表格數(shù)據(jù)，A傳感器對應的是表中力________(選填“F1”或“F2”)。鉤碼質(zhì)量為________kg(保留一位有效數(shù)字)。 (2)本實驗中多次對傳感器進行調(diào)零，對此操作說明正確的是（ ） A．因為事先忘記調(diào)零 B．何時調(diào)零對實驗結果沒有影響 C．為了消除橫桿自身重力對結果的影響 D．可以完全消除實驗的誤差 [解析]　 (1)A傳感器中的力均為正值，故A傳感器對應的是表中力F1，平衡時，mg＝F1sin θ，當θ＝30時，F(xiàn)1＝1.001 N，可求得m＝0.05 kg。 (2)在掛鉤碼之前，對傳感器進行調(diào)零，目的是為了消除橫桿自身重力對結果的影響，故C正確。 [答案]　(1)F1　0.05　(2)C 針對訓練： 3．某同學嘗試用橡皮筋等器材驗證力的平行四邊形定則，他找到兩條相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、鉛筆、細繩、白紙、釘子，設計了如下實驗：將兩條橡皮筋的一端與細繩連接，結點為O，細繩下掛一重物，兩橡皮筋的另一端也都連有細繩。實驗時，先將一條橡皮筋的另一端的細繩固定在墻上的釘子A上，另一條橡皮筋任其下垂，如圖實Ⅲ－11甲所示；再將另一條橡皮筋的另一端的細繩固定在墻上的釘子B上，如圖實Ⅲ－11乙所示。 (1)為完成實驗，下述操作中必需的是 A．兩橡皮筋的另一端連接的細繩a、b長度要相同 B．要測量橡皮筋的原長 C．要測量圖甲和圖實Ⅲ－11乙中橡皮筋的長度 D．要記錄圖甲中結點O的位置及過結點O的豎直方向 E．要記錄圖乙中結點O′的位置及過結點O′的豎直方向 (2)對該實驗“兩條相同的橡皮筋”的要求的理解正確的是（ ） A．橡皮筋的材料和原長相同即可 B．橡皮筋的材料和粗細相同即可 C．橡皮筋的材料、原長和粗細均要相同 解析 　(1)首先應明白該實驗的實驗原理，即用橡皮筋的伸長量來表示彈力的大小，所以實驗中一定要測橡皮筋的長度，而沒必要關心細繩a、b的長度，選項B和C中的操作是需要的，為了確保力的合成的等效性，需要題圖乙中結點O′的位置及過結點O′的豎直方向，選項E中的操作是必需的。 (2)為了能用橡皮筋的伸長量表示彈力大小，滿足F＝kx，應讓k值相同，即橡皮筋的材料、粗細、原長均要相同，選項C正確。 答案　(1)BCE　(2)C