課標(biāo)版2022年高考物理總復(fù)習(xí)第二章力的相互作用實驗三驗證力的平行四邊形定則課件

這是一份課標(biāo)版2022年高考物理總復(fù)習(xí)第二章力的相互作用實驗三驗證力的平行四邊形定則課件，共45頁。
一、實驗?zāi)康?.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)應(yīng)用作圖法處理實驗數(shù)據(jù)和得出結(jié)論的能力。二、實驗原理
互成角度的兩個力F1、F2與另外一個力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'在實驗誤差允許范圍內(nèi)是否相等。三、實驗器材木板、白紙、圖釘若干、橡皮條、細(xì)繩、彈簧測力計兩只、三角板、刻度 尺、鉛筆。四、實驗步驟1.用圖釘把白紙釘在水平桌面上的方木板上。2.用圖釘把橡皮條的一端固定在A點,橡皮條的另一端拴上兩個細(xì)繩套。
3.用兩只彈簧測力計分別鉤住細(xì)繩套,互成角度地拉橡皮條,使橡皮條與細(xì)繩 的結(jié)點伸長到某一位置O,如圖所示,記錄兩彈簧測力計的讀數(shù),用鉛筆描下O 點的位置及此時兩細(xì)繩套的方向。?
4.只用一只彈簧測力計通過細(xì)繩套把橡皮條與細(xì)繩套的結(jié)點拉到同樣的位 置O,記下彈簧測力計的讀數(shù)和細(xì)繩套的方向。
5.改變兩彈簧測力計拉力的大小和方向,再做兩次實驗。五、數(shù)據(jù)處理1.用鉛筆和刻度尺從O點沿兩細(xì)繩套方向畫直線,按選定的標(biāo)度作出這兩只 彈簧測力計的拉力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點畫平行四邊形的對角線,此對角線即合力F的圖示。2.用刻度尺從O點按同樣的標(biāo)度沿記錄的方向作出實驗步驟4中彈簧測力計 的拉力F'的圖示。3.比較F與F'是否完全重合或幾乎完全重合,從而驗證平行四邊形定則。
六、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,讀數(shù)相同。2.在同一次實驗中,使橡皮條拉長時,結(jié)點的位置O一定要相同。3.用兩只彈簧測力計鉤住細(xì)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°為宜。4.實驗時彈簧測力計應(yīng)與木板平行,讀數(shù)時眼睛要正視彈簧測力計的刻度,在 合力不超過量程及橡皮條彈性限度的前提下,拉力的數(shù)值盡量大些。
5.細(xì)繩套應(yīng)適當(dāng)長一些,便于確定力的方向。不要直接沿細(xì)繩套的方向畫直 線,應(yīng)在細(xì)繩套末端用鉛筆畫一個點,移開細(xì)繩套后,再將所標(biāo)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(biāo)度要相同,并且要恰當(dāng)選取標(biāo)度,使 所作力的圖示稍長一些。七、誤差分析1.彈簧測力計本身的誤差。2.讀數(shù)誤差和作圖誤差。3.彈簧測力計與木板不平行引起的誤差。
考點一　實驗原理和實驗操作
1.某同學(xué)做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖甲所示,其中A為 固定橡皮條的圖釘,O為橡皮條與細(xì)繩的結(jié)點,OB和OC為細(xì)繩。圖乙是在白 紙上根據(jù)實驗結(jié)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????F'????。(2)本實驗采用的科學(xué)方法是????B????。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木板上,在橡皮條的另一端拴上兩條細(xì)繩,細(xì) 繩的另一端系著繩套;
C.用兩只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(jié) 點O到達(dá)某一位置。記錄下O的位置,讀出兩只彈簧測力計的示數(shù);D.按選好的標(biāo)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(xì)繩套拉橡皮條使其伸長,讀出彈簧測力計的示 數(shù),記下細(xì)繩的方向,按同一標(biāo)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(jié)論。上述步驟中:①有重要遺漏的步驟的序號是????C????和????E????;②遺漏的內(nèi)容分別是　記下兩條細(xì)繩的方向????和　把橡皮條的結(jié)點O拉到同一位置????。
2.在“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”的實驗中,某同學(xué)進(jìn)行實驗的主 要步驟是:a.如圖甲所示,將橡皮筋的一端固定在木板上的A點,另一端拴上兩根繩套,每 根繩套分別連著一個彈簧測力計。b.沿著兩個方向拉彈簧測力計,將橡皮筋的活動端拉到某一位置,將此位置標(biāo) 記為O點,讀取此時彈簧測力計的示數(shù),分別記錄兩個拉力F1、F2的大小。用 筆在兩繩套的拉力方向上分別標(biāo)記a、b兩點,并分別將其與O點連接,表示兩 力的方向。c.再用一個彈簧測力計將橡皮筋的活動端仍拉至O點,記錄其拉力F的大小并
用上述方法記錄其方向。?(1)實驗中確定分力方向時,圖甲中的b點標(biāo)記得不妥,其原因是 ????O、b兩點太近,誤差大????。
(2)用一個彈簧測力計將橡皮筋的活動端仍拉至O點,這樣做的目的是 　與F1、F2共同作用的效果相同????。(3)圖乙是在白紙上根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的力的圖示,其中????F????是F1和F2合力 的實際測量值。
(4)實驗中的一次測量如圖丙所示,兩個測力計M、N的拉力方向互相垂直,即 α+β=90°。若保持測力計M的讀數(shù)不變,當(dāng)角α由圖中所示的值逐漸減小時,要 使橡皮筋的活動端仍在O點,可采用的辦法是(??? 　)A.增大N的讀數(shù),減小β角B.減小N的讀數(shù),減小β角C.減小N的讀數(shù),增大β角
D.增大N的讀數(shù),增大β角
解析　(1)根據(jù)標(biāo)記點和O點確定分力方向時,兩點相距遠(yuǎn)一些,方向確定更準(zhǔn)確。(2)本實驗中兩次力的作用效果相同,即橡皮筋形變量及拉伸方向相同。(3)平行四邊形對角線為合力的理論值,所以F是實際值。(4)由圖可知B正確。
通關(guān)錦囊驗證力的平行四邊形定則實驗應(yīng)注意操作不忘“三”“二”“一”用兩個彈簧測力計拉橡皮條時的“三記錄”(記錄兩彈簧測力計示數(shù)、兩細(xì) 繩方向和結(jié)點的位置O),用一個彈簧測力計拉橡皮條時的“二記錄”(記錄 彈簧測力計示數(shù)和細(xì)繩方向)及“一注意”(結(jié)點的位置必須在同一位置O)等。
考點二　實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析
減小誤差的方法(1)結(jié)點位置 ①定位O點時要力求準(zhǔn)確。②同一次實驗中橡皮條拉長后的O點必須保持不變。(2)拉力①用彈簧測力計測拉力時要使拉力沿彈簧測力計軸線方向。
②應(yīng)盡量使橡皮條、彈簧測力計和細(xì)繩套位于與紙面平行的同一平面內(nèi)。③兩個分力F1、F2間的夾角θ不要太大或太小。(3)作圖①在同一次實驗中,選定的標(biāo)度要相同。②嚴(yán)格按力的圖示要求和幾何作圖法作出平行四邊形,求出合力。
例1????在“驗證力的平行四邊形定則”實驗中,需要將橡皮條的一端固定在 水平木板上,另一端系上兩根細(xì)繩套,如圖甲所示,實驗中先用兩個彈簧測力 計分別鉤住繩套,并互成角度地拉橡皮條,把橡皮條的一端拉到O點,用鉛筆描 下O點位置和兩個細(xì)繩套的方向,并記錄彈簧測力計的讀數(shù),然后只用一個彈 簧測力計,通過細(xì)繩套再次把橡皮條的一端拉到O點,記下彈簧測力計的讀數(shù)F'和細(xì)繩套的方向,作出三個力的圖示,如圖乙所示。
(1)下列說法正確的是?(???? 　)A.實驗中兩個細(xì)繩套應(yīng)適當(dāng)長一些,可以減小實驗誤差B.在用力拉彈簧測力計時,拉力應(yīng)沿彈簧測力計的軸線方向C.在同一次實驗中,作力F1、F2的圖示時,必須選取同樣的標(biāo)度,而作力F'的圖 示時,可以選取不同的標(biāo)度D.最后,連接F1、F2和F‘三個力的末端,驗證所得圖形是不是平行四邊形
(2)甲同學(xué)在做這個實驗的時候,兩個彈簧測力計的量程都是0~10 N,他把彈 簧測力計校零之后,先測量一個質(zhì)量為1 kg的物體的重力,發(fā)現(xiàn)彈簧測力計的 示數(shù)為8.2 N,換用另外一個彈簧測力計測量這個物體的重力,發(fā)現(xiàn)示數(shù)還是8. 2 N,測量重力的操作都是正確的,如果用這兩個彈簧測力計進(jìn)行實驗,對實驗 結(jié)果有影響嗎?　沒有????(填“有”或“沒有”)。乙同學(xué)實驗后才發(fā)現(xiàn)忘記 對這兩個彈簧測力計校零,他把兩個彈簧測力計平放在實驗臺上,發(fā)現(xiàn)兩個彈簧測力計的示數(shù)都是0.3 N,乙同學(xué)使用的彈簧測力計對實驗結(jié)果有影響嗎? 　有????(填“有”或“沒有”)。
解析　(1)拉橡皮條的細(xì)繩套適當(dāng)長一些,方便畫出力的方向,可以減小誤差, 故A項正確;在用力拉彈簧測力計時,拉力應(yīng)沿彈簧測力計的軸線方向,否則會 影響拉力大小,故B項正確;在同一次實驗中,作力F1、F2的圖示時,必須選取同 樣的標(biāo)度,而作力F'的圖示時,也必須選取同樣的標(biāo)度,故C項錯誤;應(yīng)該是以F1、F2為鄰邊作出平行四邊形,過O點作出平行四邊形的對角線,該對角線表示 合力,比較合力和F'的關(guān)系,故D項錯誤。
(2)用兩個校零后的彈簧測力計測量同一個物體的重力發(fā)現(xiàn)示數(shù)相等,用這兩 個彈簧測力計進(jìn)行實驗,拉力和示數(shù)之比相等,對實驗結(jié)果沒有影響;若兩個 彈簧測力計測量前都沒有校零,且沒有拉力時彈簧測力計的示數(shù)都是0.3 N,則用此彈簧測力計測量時,彈力的大小應(yīng)等于示數(shù)減去0.3 N,根據(jù)示數(shù)作平 行四邊形時,誤差較大,對實驗結(jié)果有影響。
某探究小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗,將畫有坐標(biāo)軸(橫軸為x軸,縱軸為y軸,最小刻度表示1 mm)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(位于圖示部分之外),另一端P位于y軸上的A點時,橡皮筋處于原長。(1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標(biāo)原點O,此時拉力F的大 小可由測力計讀出。測力計的示數(shù)如圖(b)所示,F的大小為　4.0????N。(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A點;現(xiàn)使用兩個測力計同時拉橡皮筋,再 次將P端拉至O點。此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向,由測力計的示數(shù)讀出兩個拉力的大小分別為F1=4.2 N和F2=5.6 N。
(ⅰ)用5 mm長度的線段表示1 N的力,以O(shè)為作用點,在圖(a)中畫出力F1、F2的 圖示,然后按平行四邊形定則畫出它們的合力F合;
(ⅱ)F合的大小為　4.0????N,F合與拉力F的夾角的正切值為　0.05????。若F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內(nèi),則該實驗驗證了力的平行四邊形定則。
解析　(1)測力計的分度值為0.2 N,F的大小為4.0 N。(2)(ⅰ)圖見答案。分別以F1、F2為鄰邊作平行四邊形,并作出對角線,即得F合。(ⅱ)表示F合的線段的長度為20.0 mm,F合=?×1 N= 4.0 N。F合與拉力F的夾角的正切值為tan θ≈?=0.05。
考點三　實驗拓展和實驗創(chuàng)新
考向一　實驗原理創(chuàng)新(1)通過應(yīng)用定滑輪,改變拉力的方向。(2)鉤碼的總重力即對應(yīng)細(xì)繩的拉力大小。
例2　[2021年1月“八省(市)聯(lián)考”河北卷]為驗證力的平行四邊形定則,某同 學(xué)準(zhǔn)備了以下器材:支架,彈簧,直尺,量角器, 坐標(biāo)紙,細(xì)線,定滑輪(位置可調(diào)) 兩個,鉤碼若干。支架帶有游標(biāo)尺和主尺,游標(biāo)尺(帶可滑動的指針)固定在底 座上,主尺可升降,如圖1所示。實驗步驟如下:(1)儀器調(diào)零。如圖1,將已測量好的勁度系數(shù)k為5.00 N/m的彈簧懸掛在支架 上, 在彈簧掛鉤上用細(xì)線懸掛小鉤碼做為鉛垂線,調(diào)節(jié)支架豎直。調(diào)整主尺 高度,使主尺與游標(biāo)尺的零刻度對齊?；瑒又羔?對齊掛鉤上的O點,固定指針。
(2)搭建的實驗裝置示意圖如圖2。左側(cè)鉤碼組質(zhì)量mA = 40 g,右側(cè)鉤碼組質(zhì) 量mB=30 g,調(diào)整定滑輪位置和支架的主尺高度,使彈簧豎直且讓掛鉤上O點重 新對準(zhǔn)指針。實驗中保持定滑輪、彈簧和鉛垂線共面。此時測得α=36.9°,β= 53.1°,由圖3可讀出游標(biāo)卡尺示數(shù)為　9.78???? cm,由此計算出彈簧拉力的增加 量F=　0.489????N。當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭為9.80 m/s2。(3)請將第(2)步中的實驗數(shù)據(jù)用力的圖示的方法在圖框中作出,用平行四邊形 定則作出合力F'。
(4)依次改變兩鉤碼質(zhì)量,重復(fù)以上步驟,比較F‘和F的大小和方向,得出結(jié)論。 實驗中鉛垂線上小鉤碼的重力對實驗結(jié)果　無????(填寫“有”或“無”) 影響。
解析　(2)由圖3可知,游標(biāo)卡尺的讀數(shù)為9.7 cm+0.01×8 cm=9.78 cm;這就是彈 簧長度的增加量,則彈簧拉力的增加量為F=k·Δl=5.00×9.78×10-2 N=0.489 N。(3)沿OA方向的拉力F1=mAg=40×10-3×9.80 N=0.392 N,沿0B方向的拉力F2=mBg=30×10-3×9.80 N=0.294 N,用力的圖示在圖框中作出F1、F2,用平行四邊形定則作出合力F'。(4)求解合力的過程中,求解的是彈簧彈力的變化量,所以小鉤碼的重力對實 驗結(jié)果沒有影響。
考向二　實驗器材創(chuàng)新(1)電子秤代替彈簧測力計,可以直接讀出力的大小。(2)同一電子秤通過不同方式,可測得三根細(xì)線中拉力的大小。
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　靜止????時電子秤 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和水壺杯帶上。水平拉開細(xì)線L1,在白紙上記下結(jié)點O的位置、 ????三根細(xì)線的方向????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的方向拉開細(xì)線L2,使　結(jié)點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)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????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證。
考向三　實驗過程創(chuàng)新(1)探究拉伸過程對橡皮筋彈性的影響。(2)橡皮筋上端固定,下端掛一重物,用水平力兩次拉動重物,對應(yīng)不同的軌跡。
例4　小明通過實驗驗證力的平行四邊形定則。(1)實驗記錄紙如圖甲所示,O點為橡皮筋被拉伸后伸長到的位置,兩彈簧測力 計共同作用時,拉力F1和F2的方向分別過P1和P2點;一個彈簧測力計拉橡皮筋 時,拉力F3的方向過P3點。三個力的大小分別為:F1=3.30 N、F2=3.85 N和F3=4.25 N。請根據(jù)圖中給出的標(biāo)度作圖求出F1和F2的合力。
答案　(1)如圖,F合=4.70 N(4.70~4.90 N都算對)?
(2)仔細(xì)分析實驗,小明懷疑實驗中的橡皮筋被多次拉伸后彈性發(fā)生了變化,影響實驗結(jié)果。他用彈簧測力計先后兩次將 橡皮筋拉伸到相同長度,發(fā)現(xiàn)讀數(shù)不相同, 于是進(jìn)一步探究了拉伸過程對橡皮筋彈 性的影響。
實驗裝置如圖乙所示,將一張白紙固定在豎直放置的木板上,橡皮筋的上端固 定于O'點,下端N掛一重物。用與白紙平行的水平力緩慢地移動N,在白紙上 記錄下N的軌跡。重復(fù)上述過程,再次記錄下N的軌跡。兩次實驗記錄的軌跡如圖丙所示。過O'點作一條直線與軌跡交于a、b兩點, 則實驗中橡皮筋分別被拉伸到a和b時所受拉力Fa、Fb的大小關(guān)系為????Fa=Fb????。
(3)根據(jù)(2)中的實驗,可以得出的實驗結(jié)果有哪些?(???? 　)(填寫選項前的字母)A.橡皮筋的長度與受到的拉力成正比B.兩次受到的拉力相同時,橡皮筋第2次的長度較長C.兩次被拉伸到相同長度時,橡皮筋第2次受到的拉力較大D.兩次受到的拉力相同時,拉力越大,橡皮筋兩次的長度之差越大(4)根據(jù)小明的上述實驗探究,請對驗證力的平行四邊形定則實驗提出兩點注 意事項?！∠鹌そ罾觳灰诉^長;選用新橡皮筋(或:拉力不宜過大;選用彈性好的橡皮 筋;換用彈性好的輕彈簧)????