
核 心 素 養(yǎng)科學(xué)探究(1)能觀察該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,提出物理問(wèn)題;(2)根據(jù)已有的科學(xué)探究方案,使用基本的器材獲得數(shù)據(jù);(3)能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到初步的結(jié)論;(4)有控制變量的意識(shí),能制訂科學(xué)探究方案,選用合適的器材獲得數(shù)據(jù);(5)能分析數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)規(guī)律并形成結(jié)論,會(huì)分析導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的原因.
一、實(shí)驗(yàn)器材方木板、白紙、____________(兩個(gè))、橡皮條、小圓環(huán)、細(xì)繩套(兩個(gè))、三角板、________、圖釘(若干)、鉛筆.二、實(shí)驗(yàn)思路1.實(shí)驗(yàn)的基本思想——________法.2.實(shí)驗(yàn)思路(1)記錄分力:通過(guò)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)互成角度地共同拉動(dòng)小圓環(huán)處于某一點(diǎn),記錄F1、F2.(2)記錄合力:改用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)單獨(dú)拉住小圓環(huán),仍使小圓環(huán)處于同一位置,記錄F.(3)觀察圖形:用力的圖示法畫(huà)出拉力F1、F2和F.用虛線把拉力F的箭頭分別與F1、F2的箭頭連接,觀察所圍成的形狀像不像一個(gè)平行四邊形.
3.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(1)兩組物理量的測(cè)量:①分力的測(cè)量:測(cè)量分力F1大小和方向、F2大小和方向.②合力的測(cè)量:測(cè)量合力F大小和方向.(2)畫(huà)四邊形.
三、實(shí)驗(yàn)步驟1.裝置安裝:在方木板上用圖釘固定一張白紙,如圖甲,輕質(zhì)小圓環(huán)掛在橡皮條的一端,在小圓環(huán)系上兩個(gè)細(xì)繩套,橡皮條另一端固定,長(zhǎng)度為GE.
2.兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的使用:如圖乙,用手通過(guò)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)互成角度地共同拉動(dòng)小圓環(huán),使小圓環(huán)處于O點(diǎn),橡皮條伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度為OE.用鉛筆描下O點(diǎn)位置、細(xì)繩套的方向,并記錄兩彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù).3.一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的使用:如圖丙,改用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)單獨(dú)拉住小圓環(huán),仍使它處于O點(diǎn),記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)和細(xì)繩套的方向.4.觀察圖形:如圖丁,由紙上O點(diǎn)出發(fā),用力的圖示法畫(huà)出拉力F1、F2和F.用虛線把拉力F的箭頭分別與F1、F2的箭頭連接,能看到所圍成的形狀像是一個(gè)平行四邊形.5.重復(fù)實(shí)驗(yàn):用作圖工具進(jìn)行檢驗(yàn),并改變拉力F1和F2的大小和方向,重做實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)所圍成的圖形是不是平行四邊形.
四、數(shù)據(jù)收集與分析1.分力數(shù)據(jù)的收集:兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)互成角度,拉力F1大小和方向、F2大小和方向.2.合力數(shù)據(jù)的收集:一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì),拉力F的大小和方向.3.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:以F1、F2為鄰邊,F(xiàn)為對(duì)角線所圍成的四邊形形狀是平行四邊形,所以兩個(gè)互成角度的力的合成遵循平行四邊形定則.
[注意事項(xiàng)] (1)位置不變:在同一次實(shí)驗(yàn)中,兩次拉長(zhǎng)橡皮條時(shí)結(jié)點(diǎn)的位置一定要相同.(2)拉力方向及記錄:在使用彈簧測(cè)力計(jì)時(shí),應(yīng)通過(guò)細(xì)繩套拉動(dòng)小圓環(huán),這時(shí),彈簧與木板面平行,避免彈簧與彈簧測(cè)力計(jì)外殼有摩擦;為了提高實(shí)驗(yàn)精度,細(xì)繩略長(zhǎng)一些好,以便更好地確定拉力的方向.(3)角度合適:有兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮條時(shí),兩拉力的夾角不要太大,也不要太小,在60 °~120 °為宜,作力的圖示時(shí),標(biāo)度要適當(dāng)大些.(4)拉力合適:在滿足拉力不超過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)的量程及橡皮條形變不超過(guò)彈性限度的條件下,應(yīng)該使拉力盡量大一些,以減小實(shí)驗(yàn)誤差.
[誤差分析](1)讀數(shù)誤差:彈簧測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)在允許的情況下,盡量大一些,讀數(shù)時(shí)眼睛一定要平視,要按有效數(shù)字正確讀數(shù)和記錄.(2)作圖誤差.①O的位置和兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的方向畫(huà)得不準(zhǔn)確,造成作圖誤差.②兩個(gè)分力的起始夾角α太大,如大于120 °,再重復(fù)做兩次實(shí)驗(yàn),為保證O位置不變(即保證合力不變),則α變化范圍不大,因而彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)變化不顯著,讀數(shù)誤差較大,導(dǎo)致作圖產(chǎn)生較大誤差.③作圖比例不恰當(dāng)、不準(zhǔn)確等造成作圖誤差.
探究點(diǎn)一 教材原型實(shí)驗(yàn) 典例示范題型1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與操作例1 以下是某實(shí)驗(yàn)小組“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”的過(guò)程.
(1)首選進(jìn)行如下操作:①如圖甲,輕質(zhì)小圓環(huán)掛在橡皮條的一端,另一端固定,橡皮條的長(zhǎng)度為GE;②如圖乙,用手通過(guò)兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)共同拉動(dòng)小圓環(huán).小圓環(huán)在拉力F1、F2的共同作用下,位于O點(diǎn),橡皮條伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度為EO;③撤去F1、F2,改用一個(gè)力F單獨(dú)拉住小圓環(huán),仍使其位于O點(diǎn),如圖丙.
同學(xué)們發(fā)現(xiàn),力F單獨(dú)作用,與F1、F2共同作用的效果是一樣的,都使小圓環(huán)保持靜止,由于兩次橡皮條伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度相同,即______________,所以F等于F1、F2的合力.
解析:橡皮條對(duì)小圓環(huán)的拉力相同,即相同的作用效果.
(2)然后實(shí)驗(yàn)小組探究了合力F與分力F1、F2的關(guān)系:①由紙上O點(diǎn)出發(fā),用力的圖示法畫(huà)出拉力F1、F2和F(三個(gè)力的方向沿各自拉線的方向,三個(gè)力大小由彈簧測(cè)力計(jì)讀出);②用虛線將拉力F的箭頭端分別與F1、F2的箭頭端連接,如圖丁,得到的啟示是_________________;③多次改變拉力F1、F2的大小和方向,重做上述實(shí)驗(yàn),通過(guò)畫(huà)各力的圖示,進(jìn)一步檢驗(yàn)所圍成的圖形.實(shí)驗(yàn)小組發(fā)現(xiàn):在兩個(gè)力合成時(shí),以表示這兩個(gè)力的有向線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個(gè)鄰邊之間的對(duì)角線就代表合力的大小和方向,這個(gè)規(guī)律叫作______________.
解析:(2)②圖丁,得到的啟示是可能構(gòu)成平行四邊形.③表示這兩個(gè)力的有向線段為鄰邊作平行四邊形,這兩個(gè)鄰邊之間的對(duì)角線就代表合力的大小和方向,這個(gè)規(guī)律叫做平行四邊形定則.
題型2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析例2 完成“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)主要步驟:(1)如圖甲,用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)分別鉤住細(xì)繩,互成角度地拉橡皮條,使橡皮條伸長(zhǎng),記下結(jié)點(diǎn)O的位置,兩彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F1、F2以及兩細(xì)繩的方向.
(2)如圖乙,用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)鉤住細(xì)繩把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到________,記下細(xì)繩的方向(如圖丙中的c),讀得彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F=________.(3)如圖丙,按選定的標(biāo)度作出了力F1、F2的圖示,請(qǐng)?jiān)趫D丙中:①按同樣的標(biāo)度作出力F的圖示.②用虛線把F的箭頭端分別與F1、F2的箭頭端連接,能看到所圍成的形狀像是一個(gè)____________.
解析:(2)用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)鉤住細(xì)繩把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到同一位置O,記下細(xì)繩的方向,由圖乙可讀得彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F=4.0 N.(3)①作出力F的圖示如圖所示.②F1、F2和F的箭頭端連接后如圖所示,圍成的圖形像平形四邊形.
素養(yǎng)訓(xùn)練1 小明利用圖(甲)所示的方法做“探究二力合成的規(guī)律”實(shí)驗(yàn).(1)實(shí)驗(yàn)所用的一只彈簧測(cè)力計(jì)如圖(乙)所示,在用它測(cè)力前應(yīng)對(duì)它進(jìn)行的操作是________.
解析:(1)彈簧測(cè)力計(jì)指針不在零位置,故在用它測(cè)力前應(yīng)對(duì)它進(jìn)行的操作是調(diào)零.
(2)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如(丙)圖所示,小明用虛線把F的箭頭末端分別與F1、F2的箭頭末端連接起來(lái);觀察圖形后,他覺(jué)得所畫(huà)的圖形很像平行四邊形.至此,為正確得出求合力的一般方法,你認(rèn)為小明接下來(lái)應(yīng)該做些什么?(至少寫(xiě)兩點(diǎn))①_______________________________________________________.②_______________________________________________________.
改變F1、F2的大小和方向,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證猜想
把橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉到另一位置,由對(duì)應(yīng)的F1、F2和F驗(yàn)證猜想
解析:根據(jù)所畫(huà)的圖形很像平行四邊形這一事實(shí),小明接下來(lái)應(yīng)該做以下事情:①改變F1、F2的大小和方向,把橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉到同一位置重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證猜想;②把橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉到另一位置,測(cè)出對(duì)應(yīng)的F1、F2和F,驗(yàn)證猜想;③與同學(xué)交流,得出合理結(jié)論.
探究點(diǎn)二 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)典例示范例3 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.
(1)如圖(a),在電子秤的下端懸掛一裝滿水的水壺,記下水壺________時(shí)電子秤的示數(shù)F.(2)如圖(b),將三根細(xì)線L1、L2、L3的一端打結(jié),另一端分別拴在電子秤的掛鉤、墻釘A和水壺杯子上.水平拉開(kāi)細(xì)線L1,在白紙上記下結(jié)點(diǎn)O的位置、________________和電子秤的示數(shù)F1.(3)如圖(c),將另一顆墻釘B釘在與O同一水平位置上,并將L1拴在其上.手握電子秤沿著(2)中L2的方向拉開(kāi)細(xì)線L2,使_____________和三根細(xì)線的方向與(2)中重合,記錄電子秤的示數(shù)F2.(4)在白紙上按一定標(biāo)度作出電子秤拉力F、F1、F2的圖示,根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′的圖示,若________________________,則力的平行四邊形定則得到驗(yàn)證.
F和F′在誤差允許的范圍內(nèi)重合
解析:(1)要測(cè)量裝滿水的水壺的重力,則應(yīng)記下水壺靜止時(shí)電子秤的示數(shù)F.(2)要畫(huà)出平行四邊形,則需要記錄分力的大小和方向,所以在白紙上記下結(jié)點(diǎn)O的位置的同時(shí),也要記錄三根細(xì)線的方向以及電子秤的示數(shù)F1.(3)已經(jīng)記錄了一個(gè)分力的大小,還要記錄另一個(gè)分力的大小,則結(jié)點(diǎn)O的位置不能變化,力的方向也都不能變化,所以應(yīng)使結(jié)點(diǎn)O的位置和三根細(xì)線的方向與(2)中重合,記錄電子秤的示數(shù)F2.(4)根據(jù)平行四邊形定則作出F1、F2的合力F′的圖示,若F和F′在誤差允許的范圍內(nèi)重合,則力的平行四邊形定則得到驗(yàn)證.
素養(yǎng)訓(xùn)練2 某學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了一個(gè)“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn),裝置如圖1所示,在豎直放置的木板上部附近兩側(cè),固定兩個(gè)力傳感器,同一高度放置兩個(gè)可以移動(dòng)的定滑輪,兩根細(xì)繩跨過(guò)定滑輪分別與兩力傳感器連接,在兩細(xì)繩連接的結(jié)點(diǎn)O處下方懸掛鉤碼,力傳感器1、2的示數(shù)分別為F1、F2,調(diào)節(jié)兩個(gè)定滑輪的位置可以改變兩細(xì)繩間的夾角.實(shí)驗(yàn)中使用若干相同的鉤碼,每個(gè)鉤碼的質(zhì)量均為100克,取g=9.8 m/s2.
(1)關(guān)于實(shí)驗(yàn),下列說(shuō)法正確的是________.A.實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,需要調(diào)節(jié)木板使其位于豎直平面內(nèi)B.每次實(shí)驗(yàn)都必須保證結(jié)點(diǎn)位于O點(diǎn)C.實(shí)驗(yàn)時(shí)需要記錄鉤碼數(shù)量、兩力傳感器的示數(shù)和三細(xì)繩的方向D.實(shí)驗(yàn)時(shí)還需要一個(gè)力傳感器單獨(dú)測(cè)量懸掛于O點(diǎn)鉤碼的總重力(2)根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),該同學(xué)已經(jīng)按照力的圖示的要求畫(huà)出了F1、F2(如圖2所示),請(qǐng)你作圖得到F1、F2的合力F(只作圖,不求大小),并寫(xiě)出該合力不完全豎直的一種可能原因_______________________.
定滑輪有摩擦(或木板未豎直放置)
解析:(1)本實(shí)驗(yàn)重力在豎直方向上,要在豎直平面內(nèi)作平行四邊形,則實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,需要調(diào)節(jié)木板使其位于豎直平面內(nèi),故A正確;因?yàn)橐?huà)平行四邊形,則需要記錄鉤碼數(shù)量、兩力傳感器的示數(shù)和三細(xì)繩的方向,但鉤碼重力、兩力傳感器的示數(shù)和三繩的方向都已知,所以不必保證結(jié)點(diǎn)每次都在同一位置,故B錯(cuò)誤、C正確;因?yàn)槊總€(gè)鉤碼的重力已知,所以不需要用力傳感器測(cè)鉤碼總重力,故D錯(cuò)誤;故選A、C.(2)根據(jù)平行四邊形定則作出合力F如圖所示:由于定滑輪有摩擦、木板未豎直放置等原因?qū)е略摵狭Σ煌耆Q直.
1.在進(jìn)行“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)中,用如圖(a)所示的兩個(gè)力拉彈簧使之伸長(zhǎng)至某一位置,并適當(dāng)調(diào)整力的方向,使兩力之間的夾角為90°.(圖中鉤碼規(guī)格相同)(1)換用一根線牽引彈簧如圖(b),使彈簧的伸長(zhǎng)量與兩個(gè)力作用時(shí)相同,此時(shí)需要掛________個(gè)與圖(a)中相同規(guī)格的鉤碼.(2)你對(duì)合力與分力遵循什么樣的規(guī)律作出的猜想是________________________________________.(3)本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是________.A.理想實(shí)驗(yàn) B.等效替代C.控制變量 D.物理模型
力的合成遵循平行四邊形定則(或三角形定則)
解析:(1)設(shè)一個(gè)鉤碼的重力為G,圖(a)中互成90°的兩個(gè)力分別為4G和3G,則合力為5G,圖(b)中為了保持拉力的作用效果相同,故要掛5個(gè)相同的鉤碼.(2)根據(jù)3、4、5個(gè)鉤碼及夾角的關(guān)系,可知猜想出力的合成遵循平行四邊形定則或三角形定則.(3)該實(shí)驗(yàn)保證合力與幾個(gè)分力共同作用的作用效果相同,運(yùn)用了等效替代法,故選B.
2.“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”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(huà)出的圖示.
(1)某次實(shí)驗(yàn)中,拉OC細(xì)繩的彈簧測(cè)力計(jì)指針位置如圖甲所示,其讀數(shù)為_(kāi)_______ N;在圖乙中用虛線連接F1、F2、F箭頭端(在誤差允許的范圍內(nèi))所圍成的形狀是一個(gè)________________.(2)關(guān)于此實(shí)驗(yàn),下列說(shuō)法正確的是________.A.與橡皮筋連接的細(xì)繩必須等長(zhǎng)B.用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋時(shí),應(yīng)使兩彈簧測(cè)力計(jì)的拉力相等,以便算出合力的大小C.用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋時(shí),結(jié)點(diǎn)位置必須與用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉時(shí)結(jié)點(diǎn)的位置重合D.拉橡皮筋的細(xì)繩要長(zhǎng)些,標(biāo)記同一細(xì)繩方向的兩點(diǎn)要短一些
解析:(1)由圖可知,甲圖所示彈簧測(cè)力計(jì)的最小分度為0.1 N,則讀數(shù)為2.60 N;連接三個(gè)力的箭頭端,發(fā)現(xiàn)所圍成的圖形像一個(gè)平行四邊形.(2)與橡皮筋連接的細(xì)繩是為了解定細(xì)繩拉力的方向,兩繩的長(zhǎng)度不一定相等,故A錯(cuò)誤;用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋時(shí),只要使兩彈簧測(cè)力計(jì)拉力的合力與一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉力的效果相同就行,兩彈簧測(cè)力計(jì)的拉力不需要相等,故B錯(cuò)誤;為了保證效果相同,兩次拉橡皮筋時(shí),需將橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉至同一位置,故C正確;標(biāo)記同一細(xì)繩方向的兩點(diǎn)要長(zhǎng)一些,這樣引起的拉力方向的誤差會(huì)小些,故D錯(cuò)誤.
3.某同學(xué)利用下列器材,設(shè)計(jì)“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”.器材:三根完全相同的輕質(zhì)彈簧(每根彈簧兩端均接有適當(dāng)長(zhǎng)度的細(xì)繩套),幾個(gè)小重物,一把刻度尺,一塊三角板,一支鉛筆,一張白紙,幾枚釘子.
實(shí)驗(yàn)步驟:①用兩枚釘子將白紙(白紙的上邊沿被折疊幾次)釘在豎直墻壁上,將兩根彈簧一端的細(xì)繩套分別掛在兩枚釘子上,另一端的細(xì)繩套與第三根彈簧一端的細(xì)繩套連接.待裝置靜止后,用刻度尺測(cè)出第三根彈簧兩端之間的長(zhǎng)度,記為L(zhǎng)0.②在第三根彈簧的另一個(gè)細(xì)繩套下面掛一重物,待裝置靜止后,用鉛筆在白紙上記下結(jié)點(diǎn)的位置O和三根彈簧的方向,用刻度尺測(cè)出三根彈簧的長(zhǎng)度L1、L2、L3.③取下器材,將白紙平放在桌面上.用鉛筆和刻度尺從O點(diǎn)沿著三根彈簧的方向畫(huà)直線,按照一定的標(biāo)度作出三根彈簧對(duì)結(jié)點(diǎn)O的拉力F1、F2、F3的圖示.以F1、F2為鄰邊作四邊形.④測(cè)量發(fā)現(xiàn)四邊形像平行四邊形,且F1、F2的合力F與F3在同一條直線上,大小接近相等.
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