高考物理一輪復(fù)習(xí)-實(shí)驗(yàn)三-驗(yàn)證力的平等四邊形定則

實(shí)驗(yàn)三驗(yàn)證力的平行四邊形定則一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．會(huì)使用彈簧測(cè)力計(jì)。2．驗(yàn)證互成角度的兩個(gè)力合成時(shí)是否符合平行四邊形定則。二、實(shí)驗(yàn)原理與要求[基本實(shí)驗(yàn)要求]1．實(shí)驗(yàn)原理互成角度的兩個(gè)力F1、F2與另外一個(gè)力F′產(chǎn)生相同的效果，看F1、F2用平行四邊形定則求出的合力F與F′在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)是否相等。2．實(shí)驗(yàn)器材木板、白紙、圖釘若干、橡皮條、細(xì)繩套、彈簧測(cè)力計(jì)(2個(gè))、三角板、刻度尺。3．實(shí)驗(yàn)步驟(1)用圖釘把一張白紙釘在水平桌面上的木板上。(2)用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)分別鉤住兩個(gè)細(xì)繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長(zhǎng)，結(jié)點(diǎn)到達(dá)某一位置O。如實(shí)驗(yàn)原理圖所示。(3)用鉛筆描下結(jié)點(diǎn)O的位置和兩個(gè)細(xì)繩套的方向，并記錄彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，利用刻度尺和三角板根據(jù)平行四邊形定則求出合力F。(4)只用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，通過(guò)細(xì)繩套把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到與前面相同位置O點(diǎn)，記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F′和細(xì)繩的方向。(5)比較F′與用平行四邊形定則求得的合力F，看它們?cè)趯?shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)是否相等。

[規(guī)律方法總結(jié)]1．正確使用彈簧測(cè)力計(jì)(1)將兩只彈簧測(cè)力計(jì)調(diào)零后水平互鉤對(duì)拉過(guò)程中，讀數(shù)相同，可選；若不同，應(yīng)另?yè)Q或調(diào)校，直至相同為止。(2)使用時(shí)，讀數(shù)應(yīng)盡量大一些，但不能超出其量程。(3)被測(cè)力的方向應(yīng)與軸線方向一致。(4)讀數(shù)時(shí)應(yīng)正對(duì)、平視刻度。2．注意事項(xiàng)(1)位置不變：在同一次實(shí)驗(yàn)中，使橡皮條拉長(zhǎng)時(shí)結(jié)點(diǎn)的位置一定要相同。(2)角度合適：用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)鉤住細(xì)繩套互成角度地拉橡皮條時(shí)，其夾角不宜太小，也不宜太大，以60°～100°為宜。(3)在合力不超出彈簧測(cè)力計(jì)量程及在橡皮條彈性限度內(nèi)形變應(yīng)盡量大一些。細(xì)繩套應(yīng)適當(dāng)長(zhǎng)一些，便于確定力的方向。(4)統(tǒng)一標(biāo)度：在同一次實(shí)驗(yàn)中，畫(huà)力的圖示時(shí)選定的標(biāo)度要相同，并且要恰當(dāng)選定標(biāo)度，使力的圖示稍大一些。3．誤差分析(1)誤差來(lái)源：除彈簧測(cè)力計(jì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中讀數(shù)時(shí)眼睛一定要正視彈簧測(cè)力計(jì)的刻度盤(pán)，要按有效數(shù)字位數(shù)要求和彈簧測(cè)力計(jì)的精度正確讀數(shù)和記錄。②作圖時(shí)使用刻度尺，并借助三角板，使表示兩力線段的對(duì)邊一定要與表示兩力的線段平行。命題點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原理與操作[典例1]

(2021·江蘇常州高三檢測(cè))“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的裝置如圖所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①用兩個(gè)相同的彈簧測(cè)力計(jì)互成角度拉細(xì)繩套，使橡皮條伸長(zhǎng)，結(jié)點(diǎn)到達(dá)紙面上某一位置，記為O1；②記錄兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力F1和F2的大小和方向；③只用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，將結(jié)點(diǎn)仍拉到位置O1，記錄彈簧測(cè)力計(jì)的拉力F3的大小和方向；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F3和F的一致程度。(1)下列說(shuō)法正確的是________。A．應(yīng)使橡皮條與兩繩夾角的平分線在同一直線上B．為了便于計(jì)算合力大小，兩繩間夾角應(yīng)取30°、45°、90°等特殊角度C．系在橡皮條末端的兩繩要一樣長(zhǎng)D．同時(shí)改變兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力的大小和方向，結(jié)點(diǎn)可能保持在位置O1D(2)改變F1、F2，重復(fù)步驟①至⑥進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，記下結(jié)點(diǎn)位置O2，位置O2_________(選填“必須”或“不必”)與位置O1相同。(3)實(shí)驗(yàn)中，用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)同時(shí)拉，兩繩夾角小于90°，一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)接近量程，另一個(gè)超過(guò)量程的一半，這樣操作____________(選填“合理”或“不合理”)。不必不合理[解析]

(1)F1、F2方向間夾角大小適當(dāng)即可，不一定要橡皮條和兩繩套夾角的角平分線在一條直線上，故A錯(cuò)誤；兩繩拉橡皮條時(shí)，只要確保拉到同一點(diǎn)即可，兩繩間夾角不必取30°、45°、90°等特殊角度，故B錯(cuò)誤；細(xì)繩的作用是能顯示出力的方向，所以不必須等長(zhǎng)，故C錯(cuò)誤；同時(shí)改變兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，結(jié)點(diǎn)可能保持在位置O1，故D正確。(2)重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)位置不必相同。(3)用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)同時(shí)拉，兩繩夾角小于90°

，一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)接近量程，另一個(gè)超過(guò)量程的一半，這樣操作不合理，理由是只用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉時(shí)會(huì)超過(guò)其量程。規(guī)律方法實(shí)驗(yàn)操作牢記“一注意”和“兩記錄”(1)注意兩次結(jié)點(diǎn)O的位置必須相同。(2)用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮條時(shí)，應(yīng)記錄兩彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)、兩繩方向和結(jié)點(diǎn)O的位置。(3)用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮條時(shí)，應(yīng)記錄彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)和細(xì)繩方向。

數(shù)據(jù)處理與分析[典例2]

某探究小組做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)，將畫(huà)有坐標(biāo)軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1mm)的紙貼在水平桌面上，如圖(a)所示。將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(diǎn)(位于圖示部分之外)，另一端P位于y軸上的A點(diǎn)時(shí)，橡皮筋處于原長(zhǎng)。(1)用一只測(cè)力計(jì)將橡皮筋的P端沿y軸從A點(diǎn)拉至坐標(biāo)原點(diǎn)O。此時(shí)拉力F的大小可由測(cè)力計(jì)讀出。測(cè)力計(jì)的示數(shù)如圖(b)所示，F(xiàn)的大小為_(kāi)_______N。4.0

(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點(diǎn)，現(xiàn)使用兩個(gè)測(cè)力計(jì)同時(shí)拉橡皮筋，再次將P端拉至O點(diǎn)。此時(shí)觀察到兩個(gè)拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向，由測(cè)力計(jì)的示數(shù)讀出兩個(gè)拉力的大小分別為F1＝4.2N和F2＝5.6N。(ⅰ)用5mm長(zhǎng)度的線段表示1N的力，以O(shè)為作用點(diǎn)，在圖(a)中畫(huà)出力F1、F2的圖示，然后按平行四邊形定則畫(huà)出它們的合力F合；答案:(ⅰ)F1、F2和F合如圖所示

(ⅱ)F合的大小為_(kāi)_______N，F(xiàn)合與拉力F的夾角的正切值為_(kāi)_______。若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實(shí)驗(yàn)所允許的誤差范圍之內(nèi)，則該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了力的平行四邊形定則。4.00.05

規(guī)律總結(jié)1．?dāng)?shù)據(jù)處理——作圖法在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)中，由作圖法得到的合力F與實(shí)際測(cè)量得到的合力F′不可能完全重合，只要在誤差范圍內(nèi)可以認(rèn)為合力F與合力F′重合即可驗(yàn)證平行四邊形定則，如圖所示。2．誤差分析(1)用兩個(gè)測(cè)力計(jì)拉橡皮條時(shí)，若橡皮條、細(xì)繩和測(cè)力計(jì)不在同一個(gè)平面內(nèi)，這樣得到的兩個(gè)測(cè)力計(jì)的水平分力的實(shí)際合力比由作圖法得到的合力小。(2)結(jié)點(diǎn)O的位置和兩個(gè)測(cè)力計(jì)的方向畫(huà)得不準(zhǔn)確，造成作圖誤差。(3)作圖比例不恰當(dāng)造成作圖誤差。

實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新[典例3]

如圖所示，某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)利用DIS實(shí)驗(yàn)裝置研究支架上力的分解。A、B為兩個(gè)相同的雙向力傳感器，該型號(hào)傳感器在受到拉力時(shí)讀數(shù)為正，受到壓力時(shí)讀數(shù)為負(fù)。A連接質(zhì)量不計(jì)的細(xì)繩，可沿固定的板做圓弧形移動(dòng)。B固定不動(dòng)，通過(guò)光滑鉸鏈連接長(zhǎng)0.3m的桿。將細(xì)繩連接在桿右端O點(diǎn)構(gòu)成支架。保持桿在水平方向，按如下步驟操作：(g取10m/s2)命題點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)①測(cè)量繩子與水平桿的夾角∠AOB＝θ；②對(duì)兩個(gè)傳感器進(jìn)行調(diào)零；③用另一根繩在O點(diǎn)懸掛一個(gè)鉤碼，記錄兩個(gè)傳感器的讀數(shù)；④取下鉤碼，移動(dòng)傳感器A改變?chǔ)冉?。重?fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，得到數(shù)據(jù)如下表：F11.0010.580…1.002…F2－0.868－0.291…0.865…θ30°60°…150°…(1)根據(jù)表格，A傳感器對(duì)應(yīng)的是表中力________(選填“F1”或“F2”)。鉤碼質(zhì)量為_(kāi)_______kg(保留一位有效數(shù)字)。(2)本實(shí)驗(yàn)中多次對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零，對(duì)此操作說(shuō)明正確的是________。A．因?yàn)槭孪韧浾{(diào)零B．何時(shí)調(diào)零對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響C．為了消除橫桿自身重力對(duì)結(jié)果的影響D．可以完全消除實(shí)驗(yàn)的誤差F1

0.05C[解析]

(1)A傳感器中的力均為正值，故A傳感器對(duì)應(yīng)的是表中力F1，平衡時(shí)，mg＝F1sinθ，當(dāng)θ＝30°時(shí)，F(xiàn)1＝1.001N，可求得m≈0.05kg。(2)在掛鉤碼之前，對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)零，目的是消除橫桿自身重力對(duì)結(jié)果的影響，故C正確。創(chuàng)新評(píng)價(jià)本題的創(chuàng)新主要是用傳感器的讀數(shù)替代彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)，鉤碼的重力替代彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，從而減小實(shí)驗(yàn)中讀數(shù)帶來(lái)的誤差。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新[典例4]

某實(shí)驗(yàn)小組用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)和一個(gè)量角器等器材驗(yàn)證力的平行四邊形定則，設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，固定在豎直木板上的量角器的直邊水平，橡皮筋的一端固定在量角器的圓心O的正上方A處，另一端系上繩套1和繩套2。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：Ⅰ.彈簧測(cè)力計(jì)掛在繩套1上豎直向下拉橡皮筋，使橡皮筋與繩套的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F；Ⅱ.彈簧測(cè)力計(jì)掛在繩套1上，沿水平方向緩慢拉橡皮筋，同時(shí)用手拉著繩套2沿120°方向緩慢拉橡皮筋，使橡皮筋與繩套的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F1；Ⅲ.根據(jù)力的平行四邊形定則計(jì)算繩套1的拉力大小F1′＝____①____；Ⅳ.比較____②____，若在誤差允許的范圍內(nèi)相同，即可初步驗(yàn)證力的平行四邊形定則；Ⅴ.只改變繩套2的方向，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟。回答下列問(wèn)題：(1)完成實(shí)驗(yàn)步驟：①____________；②____________。(2)將繩套1由0°方向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)到60°方向，同時(shí)繩套2由120°方向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)到180°方向，此過(guò)程中保持橡皮筋與繩套的結(jié)點(diǎn)在O處不動(dòng)，保持繩套1和繩套2的夾角120°不變。關(guān)于繩套1的拉力大小的變化，下列結(jié)論正確的是________。A．逐漸增大 B．先增大后減小C．逐漸減小

D．先減小后增大F1和F1′

A創(chuàng)新評(píng)價(jià)本題的創(chuàng)新體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，用量角器可直接測(cè)量力的夾角，從而可用幾何知識(shí)求出分力大小，由量角器上的刻度值可以保證兩繩套方向改變時(shí)兩繩套間夾角不變。

實(shí)驗(yàn)情景創(chuàng)新[典例5]

(2021·福建福清高三質(zhì)檢)一同學(xué)用電子秤、水壺、細(xì)線、墻釘和貼在墻上的白紙等物品，在家中驗(yàn)證力的平行四邊形定則，主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：①如圖甲，細(xì)線OC一端連接一裝滿水的水壺，另一端連接圓環(huán)O，用電子秤的下端掛鉤鉤住圓環(huán)O，記下水壺靜止時(shí)電子秤的示數(shù)F；②如圖乙，將細(xì)線AB一端拴在墻釘A處，另一端穿過(guò)圓環(huán)O拴在電子秤的掛鉤B處。手握電子秤沿斜上方拉住細(xì)線的B端使水壺處于平衡狀態(tài)，在墻面的白紙上記錄圓環(huán)O的位置、三細(xì)線OA、OB、OC的方向和電子秤的示數(shù)F1；③如圖丙，在白紙上以O(shè)為力的作用點(diǎn)，按一定標(biāo)度作出各力的圖示，根據(jù)平行四邊形定則作出兩個(gè)F1的合力F′的圖示。(1)步驟①中________(選填“必須”或“不必”)記錄O點(diǎn)位置；(2)步驟②中用細(xì)線穿過(guò)圓環(huán)O，而不用細(xì)線直接拴接在細(xì)線AB上的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________；(3)通過(guò)比較F與________的大小和方向，即可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。不必一次可以同時(shí)測(cè)定兩分力的大小，減小誤差(或由于圓環(huán)的滑動(dòng)，使得OA、OB兩細(xì)線拉力大小相同)F′

[解析]

(1)因?yàn)橹亓阖Q直向下，只要保證水壺靜止，讀出電子秤示數(shù)即可，故步驟①不需要記錄O點(diǎn)位置。(2)由于