江苏专用2020版高考物理新增分大一轮复习第二章相互作用实验二力的平行四边形定则讲义含解.pdf

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1、实验二 力的平行四边形定则实验二 力的平行四边形定则 1实验目的 验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则 2实验原理 等效法：使一个力F的作用效果和两个力F1、F2的作用效果相同，都是使同一条一端固定 的橡皮条伸长到某点，所以这个力F就是那两个力F1和F2的合力作出力F的图示，再 根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示，比较F和F的大小和方向是否相同 3实验器材 方木板、白纸、弹簧测力计(两个)、三角板、刻度尺、图钉(若干个)、细芯铅笔、橡皮条、 细绳套(两个) 4实验步骤 (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

2、绳套 图 1 (3)用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长到某一位置O， 如图 1 甲所示，记录弹簧测力计的读数，用铅笔描下O点的位置及此时的两细绳套的方向 (4)用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线， 按选定的标度作出这两个弹簧测力计 的拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺、三角板作平行四边形，过O点画平行 四边形的对角线，此对角线即为合力F的图示 (5)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， 记下弹簧测力计的读 数F和细绳套的方向，用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这个弹簧测力计的 拉力F的图示 (6)比较力F与

3、用平行四边形定则求出的合力F在大小和方向上是否相同 (7)改变两个力F1和F2的大小和夹角，再重复实验两次 5注意事项 (1)不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点 小些，以便准确地记录结点O的位置 (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)不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧测力计拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条 拉到相同的长度看弹簧测力计读数有无变化 (4)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，取掉细绳套后，再将所标点与O点连直线确定力的方向 (5)在同一次实验中

4、，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 示稍大一些 6误差分析 (1)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)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 自测 1 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 答案 B 自测 2 某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图 2 甲所示，其中A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 图 2 如果没有操作失误，图乙中的F与F两力中，方向一定

5、沿AO方向的是_ 答案 F 命题点一 教材原型实验命题点一 教材原型实验 例 1 (2018金陵中学等三校四模)“验证力的平行四边形定则”的实验如图 3 甲所示 图 3 (1)某同学实验操作步骤如下 ： 如图甲所示把橡皮条的一端固定在板上的A点，用两条细绳 连在橡皮条的另一端，通过细绳用两个弹簧测力计互成角度拉橡皮条，橡皮条伸长，使结点 伸长到O点，用铅笔记下O点的位置，并记下两个测力计的读数 在纸上按比例作出两个力FOB、FOC的图示，用平行四边形定则求出合力F. 只用一个测力计，通过细绳把橡皮条上的结点拉到同样的位置O点，记下测力计的读数和 细绳的方向， 按同样比例作出这个力F的图示(如图

6、乙)， 比较F与用平行四边形定则求得 的合力F. 改变FOB和FOC的夹角和大小，重复上述过程 上述实验过程中有重要遗漏的步骤是_(填步骤序号)； 图乙中， 力_的图线与AO 延长线重合(选填F或F) (2)某同学认为在实验过程中必须注意以下几项，你认为正确的有_ A拉橡皮条的细绳套适当细一些且长一些 B实验中把橡皮条节点拉到O点时，两弹簧测力计之间的夹角为 90不变，可便于计算合 力 C拉橡皮条时，橡皮条、细绳和弹簧测力计应贴近且平行于木板 D两根细绳必须等长，且橡皮条应与两绳夹角的角平分线在同一直线上 (3)如图丙，某次测量FOB、FOC大小、方向实验过程中发现，FOC读数几乎满量程，而F

7、OB读数 不到量程一半(两弹簧测力计相同)，需要作适当调整，下列做法正确的是_ A保持结点O位置不变、OB方向不变，OC逆时针转过一定的角度 B保持结点O位置不变，OB、OC逆时针转过适当的角度 C适当调整结点O远离A，OB顺时针方向、OC逆时针各转过适当角度 D适当调整结点O靠近A，OB方向可不变，OC逆时针转过一个角度 答案 (1) F (2)AC (3)D 解析 (1)本实验为了验证力的平行四边形定则， 采用的方法是作力的图示法， 作出合力的理 论值和实际值，然后进行比较，得出结果所以，实验时，除记录弹簧测力计的示数外，还 要记下两条细绳的方向，以便确定两个拉力的方向，这样才能作出拉力的

8、图示步骤中未 记下两条细绳的方向；题图乙力F是用一根弹簧测力计拉橡皮条得到的，所以应该是F 与AO延长线重合 (2)拉橡皮条的细绳套适当的细一些且长一些，有利于实验的操作，因此 A 正确两细绳套的 方向不一定要成 90夹角，故 B 错误. 弹簧测力计测量拉力时，测力计应与木板平面平行， 且细绳与弹簧伸长的方向平行，故 C 正确两根细绳不一定要等长，且橡皮条不一定要与两 绳夹角的角平分线在同一直线上，故 D 错误 (3)若O的位置不变，则合力不变，OB方向不变，则OC的大小方向均不变，故 A 错误若O 的位置不变，则合力不变，OC逆时针旋转，则OB须顺时针旋转，所以 B 错误若适当调整 结点O远

9、离A， 则合力变大，OB顺时针方向、OC逆时针各转过适当角度的话，OC会超出量程， 故 C 错误 若适当调整结点O靠近A， 则合力减小， 若OB方向不变， 逆时针旋转OC， 可增大OB 的读数，故 D 正确 变式 1 (2018锡山中学月考)在“力的合成的平行四边形定则”实验中，某同学将橡皮筋 的一端固定于P点，用一只弹簧测力计将橡皮筋的另一端拉到O点，记下拉力F合的大小和 方向 图 4 (1)改用两只弹簧测力计拉伸橡皮筋，记下两个分力，如图 4 甲所示请指出图中两处操作错 误_；_. (2)纠正错误后，记下两分力F1、F2的大小和方向，如图乙所示，用力的图示法在纸上画出 表示三个力的箭头，

10、以表示F1和F2的线段为邻边作平行四边形， 由图可得，F1和F2的合力F _N. (3)在图乙中，表示F合的线段不在平行四边形的对角线上，上述实验误差产生的原因可能有 哪些？_. 答案 (1)橡皮筋的端点没有再次回到O点 拴在橡皮筋上的细绳套太短 (2)4.5 (3)上述 实验误差产生的原因可能有力的测量有误差；作图不准确；力的方向记录不准确等 解析 (1)两处错误是：橡皮筋的端点没有再次回到O点；拴在橡皮筋上的细绳套太短； (2)由题图乙可得，F1和F2的合力F4.5 N； (3)误差原因：力的测量有误差；作图不准确；力的方向记录不准确等 命题点二 实验拓展与创新命题点二 实验拓展与创新 1

11、对实验原理的理解、实验方法的迁移 2实验器材的改进 (1)橡皮筋弹簧测力计 替代 (2)钩码弹簧测力计 替代 例 2 (2018徐州市期中)某同学为了“验证力的平行四边形定则” ，准备了三根相同的橡 皮筋、木板、重物、刻度尺、三角板、铅笔、细绳套、白纸、钉子等器材操作步骤如下： a把三根橡皮筋的一端系在一起，另一端分别系一个细绳套； b将白纸固定在木板上，在木板上钉两个钉子，将任意两个橡皮筋上的绳套分别套在两钉子 上； c立起木板，将重物挂在剩下的一个绳套上，如图 5 甲所示； d记录下三根橡皮筋的长度和橡皮筋结点的位置O及每个橡皮筋的方向； e取下白纸，利用橡皮筋的伸长量作为拉力大小，画出受

12、力图，验证力的平行四边形定则； f换用不同的重物重复实验 图 5 (1)此实验还需_： A测量重物的质量 B记录下两个钉子的位置 C测量橡皮筋的原长 (2)某次实验，测得三根橡皮筋的伸长量及方向把橡皮筋的伸长量作为拉力大小，作出力的 图示，如图乙所示，请任选两个力，根据平行四边形定则作出合力； (3)在(2)问作出的图中，根据_可以说明力的合成满足平行四边形定则 (4)如果换用不同的重物再次重复该实验，_(填“需要”或“不需要”)改变钉子的位 置，使橡皮筋的结点回到原来的O点 答案 (1)C (2)见解析图 (3)由平行四边形作出的对角线与第三条橡皮筋的伸长量大小基 本相等，方向差不多都在竖直

13、方向上 (4)不需要 解析 (1)实验通过作出三个力的图示，来验证“力的平行四边形定则” ，因此重物的重力不 需要知道，故不选 A；在题述步骤中已经记录了每条橡皮筋的方向，不需要记录两个钉子的 位置，故不选 B；本实验以弹簧的伸长量来作平行四边形，步骤 d 中测量了橡皮筋悬挂重物 后的长度，要计算伸长量，需要测量橡皮筋的原长，故选 C. (2)如图， 以其中两个橡皮筋的伸长量为邻边作平行四边形， 平行四边形的对角线为合力的理 论值； (3)由平行四边形作出的对角线与第三条橡皮筋的伸长量大小基本相等， 方向差不多都在竖直 方向上即验证了力的合成满足平行四边形定则 (4)因为该实验是利用橡皮筋的伸

14、长量作为拉力大小， 画出受力图， 验证力的平行四边形定则， 若换用不同的重物重复该实验，不需要使橡皮筋结点回到原来的O点 变式 2 (2018兴化市第一中学期初)有同学利用如图 6 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A和B，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根绳子的拉力F1、F2、和F3，回答下 列问题 图 6 (1)改变钩码个数，实验能完成的是_ A钩码的个数N1N22，N34 B钩码的个数N1N33，N24 C钩码的个数N1N2N34 D钩码的个数N13，N24，N35 (2)在拆下钩码和绳子前，最重要的

15、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)在作图时，你认为图 7 中_(选填“甲”或“乙”)是正确的 图 7 答案 (1)BCD (2)A (3)甲 解析 (1)三个力平衡的条件为 ： 任意两力大小之和大于等于第三个力，任意两力大小之差小 于等于第三个力，所以题中四个选项都能平衡，但由于实验装置中的三个力不能共线，故 A 错误 (2)为验证力的平行四边形定则，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的位置， 其次要作出力的方向并读出力的大小， 最后作出力的图示

16、， 因此要记录砝码的个数和OA、OB、 OC三段绳子的方向，故 A 正确，B、C、D 错误 (3)以O点为研究对象，F3的实际作用效果在OC这条线上，由于误差的存在，F1、F2的理论 值要与实际值有一定偏差，故题图甲符合实际，题图乙不符合实际. 1(2019响水中学一模)在“探究求合力的方法”实验中，某同学用两只弹簧秤将橡皮筋的 端点拉到点O，作出这两个力F1、F2的图示(图 8 甲)，然后用一只弹簧秤将橡皮筋的端点仍 然拉到O，弹簧秤示数F如图乙所示 图 8 (1)弹簧秤的示数F_N； (2)请帮他在图甲中画出力F的图示(图中a为记录F方向时所记录的一点)； (3)该同学用虚线把F的箭头末端

17、分别与F1、F2的箭头末端连起来他观察图形后受到了启 发你认为他紧接着应进行的两个实验步骤是_ A整理实验器材 B提出求合力方法的猜想 C改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验 D与同学交流讨论实验结果，得出结论 答案 (1)2.8 (2)见解析图 (3)BC 解析 (1)弹簧秤的最小刻度为 0.2N，可知弹簧秤的示数F2.8N. (2)根据图示法作出F的图示，如图所示 (3)用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连起来观察图形后受到了启发提出 求合力方法的猜想，然后改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验，故 B、C 正确 2 (2018盐城市期中)某实验小组为 “验证力的平行四边

18、形定则” ， 设计了如下三个实验方案 ： 方案一：实验装置如图 9 甲所示，其中A为固定橡皮条的图钉，OA为橡皮条，OB和OC为细 绳用两只弹簧测力计分别拉OB和OC将橡皮条与细绳的结点拉到O点，再用一只弹簧测力 计拉细绳将结点拉到与O点_(选填“重合”或“不重合”) 方案二：实验装置如图乙所示，弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M.弹簧测 力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置分别读出弹簧 测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和三根细线的方向弹簧 测力计示数的单位为 N，图中A的示数为_N. 方案三：实验装置如图丙所示，在竖直木板上

19、铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，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，要记录的是：结点O的位置、 三段绳子的方向和_ 图 9 答案 重合 3.6 各条绳上所挂钩码的个数 解析 方案一 ： 该实验采用“等效替代”法，同一次实验中要求两次拉橡皮条要到同一位置， 即要求橡皮条形变的大小相同，故用一只弹簧测力计拉细绳与用两只弹簧测力计拉细绳结点 O的位置会重合； 方案二 ： 弹簧测力计读数， 每 1 N 被分成 5 格， 则 1 格就等于 0.2 N 则题图中A的示数为 3. 6 N； 方案三：为验证力的平行四边形定则，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的 位置，其

20、次要作出力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此还要记录OA、OB、OC 三段绳子的方向和各条绳上所挂钩码的个数 3 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 1mm)的纸贴在水平桌面上，如图 10(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，橡皮筋P端回到A点 ； 现使用两个测力计同时拉橡皮筋，

21、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F14.2N 和F25.6N. 用 5mm 长度的线段表示 1N 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 10 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)见解析图 4.0 0.05 解析 (1)由题图(b)可知，F的大小为 4.0N (2)画出力F1、F2的图示，如图所示 用刻度尺量出

22、F合的线段长约为 20mm，所以F合大小为 4.0N，F合与拉力F的夹角的正切值 为 tan0.05. 4一同学用电子秤、水壶、细线、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” 图 11 (1)如图 11 甲，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)如图乙，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)如图丙，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 图乙中L2的方向拉开细线L2，使_和三根细线的方向与图

23、乙中重合，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 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(或稳定、 平衡、 不动) (2)三根细线的方向 (3)结点O的位置 (4)F与F 的图示在误差范围内重合 解析 (1)要测量装满水的水壶的重力，当水壶处于平衡状态时电子秤的拉力等于水壶的重 力，故需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题图乙中重合，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F在误差允许范围内重合， 则验证了平行四边形定则