（教师备课专用）浙江省2021高考物理一轮复习第二单元相互作用第9课时实验：探究求合力的方法讲义+提能作业含解析 17页

第9课时　实验:探究求合力的方法 一、实验目的 ‎1.验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。‎ ‎2.培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。‎ 二、实验原理 互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F'产生相同的效果,看F1、F2用平行四边形定则求出的合力F与F'在实验误差允许范围内是否相同。‎ 三、实验器材 木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳套、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺、铅笔。‎ 四、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绳套。‎ ‎3.用两只弹簧测力计分别钩住细绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条与细绳套的结点伸长到某一位置O,如图所示,记录两弹簧测力计的读数,用铅笔描下O点的位置及此时两细绳套的方向。‎ - 17 -‎ ‎4.只用一只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和细绳套的方向。‎ ‎5.改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再做两次实验。‎ 五、数据处理 ‎1.用铅笔和刻度尺从结点O沿两细绳套方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形,过O点画平行四边形的对角线,此对角线即合力F的图示。‎ ‎2.用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出实验步骤4中弹簧测力计的拉力F'的图示。‎ ‎3.比较F与F'是否完全重合或几乎完全重合,从而验证平行四边形定则。‎ 六、注意事项 ‎1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后互钩对拉,读数相同。‎ ‎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.用两只弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时,夹角不宜太大也不宜太小,在60°~100°为宜。‎ ‎4.实验时弹簧测力计应与木板平行,读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度,在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下,拉力的数值尽量大些。‎ ‎5.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,移开细绳套后,再将所标点与O点连接,即可确定力的方向。‎ ‎6.在同一次实验中,画力的图示所选定的标度要相同,并且要恰当选取标度,使所作力的图示稍长一些。‎ 七、误差分析 ‎1.弹簧测力计本身的误差。‎ - 17 -‎ ‎2.读数误差和作图误差。‎ ‎3.两分力F1、F2间的夹角θ越大,用平行四边形定则作图得出的合力F的误差ΔF也越大。‎ - 17 -‎ 考点一　实验原理与操作 ‎　　用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置),用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)等。‎ 例1　在探究求合力的方法时,先将橡皮条的一端固定在水平木板上,在另一端系上带有绳套的两根细绳。实验时,需要两次拉伸橡皮条,一次是用两个弹簧测力计通过两细绳套互成角度地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮条。‎ ‎(1)实验对两次拉伸橡皮条的要求中,下列说法正确的是　　　　(填字母代号)。 ‎ A.将橡皮条拉伸相同长度即可 B.将橡皮条沿相同方向拉到相同长度 C.将弹簧测力计都拉伸到相同刻度 D.将橡皮条与绳的结点拉到相同位置 ‎(2)同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益的说法是　　　　(填字母代号)。 ‎ A.两细绳必须等长 B.弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行 C.用两弹簧测力计同时拉细绳时两弹簧测力计示数之差应尽可能大 D.拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些 ‎(3)本实验采用的科学方法是　　　　(填字母代号)。 ‎ A.理想实验法 B.控制变量法 C.等效替代法 D.建立物理模型法 - 17 -‎ 答案　(1)BD　(2)BD　(3)C 解析　(1)本实验的目的是探究求合力的方法,即研究合力与分力的关系。根据合力与分力是等效的,本实验要使橡皮条两次沿相同方向拉伸的长度相同,故A说法错误,B说法正确;在白纸上标下第一次将橡皮条和绳的结点拉伸到的位置,第二次将橡皮条和绳的结点拉到相同位置,表明两次效果相同,而弹簧测力计不必拉到相同刻度,故C说法错误,D说法正确。‎ ‎(2)用两个弹簧测力计通过两细绳套互成角度地拉橡皮条时,并非要求细绳等长,故A不符合题意;为了减小实验中的误差,应使弹簧测力计、细绳、橡皮条都与木板平行,故B符合题意;用两弹簧测力计同时拉细绳时,两弹簧测力计示数之差不能太大,故C不符合题意;为了更加准确地记录力的方向,拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些,故D符合题意。‎ ‎(3)该实验采用的方法为等效替代法,故选C。‎ ‎　　变式1　某实验小组用如图所示的装置做“验证力的平行四边形定则”实验。‎ 甲 乙 丙 ‎(1)下面关于此实验的说法,不正确的一项是　　　　　　　　。 ‎ - 17 -‎ A.如图甲,用两个弹簧测力计把橡皮条的一端拉到O点时,两个弹簧测力计之间的夹角必须取90°,以便算出合力的大小 B.用一个弹簧测力计拉橡皮条时(如图乙),必须保证仍把橡皮条的一端拉到O点 C.实验中,弹簧测力计必须保持与木板平行,读数时视线要正视弹簧测力计的刻度 D.拉橡皮条的细线要稍长一些,用以标记细线方向的两点距离要远些 ‎(2)图丙是某同学得到的实验结果,其中　　　　　　　　(选填“F”或“F'”)表示的是用一个弹簧测力计拉橡皮条时的结果。 ‎ 答案　(1)A　(2)F'‎ 解析　(1)用两个弹簧测力计把橡皮条的一端拉到O点时,两个弹簧测力计之间的夹角不一定要取90°,大小适当即可,选项A错误;用一个弹簧测力计拉橡皮条时,必须保证仍把橡皮条的一端拉到O点,以保证等效性,选项B正确;实验中,弹簧测力计必须保持与木板平行,读数时视线要正视弹簧测力计的刻度,选项C正确;拉橡皮条的细线要稍长一些,用以标记细线方向的两点距离要远些,选项D正确。‎ ‎(2)F'是合力的实验值,与OA共线,则F'表示的是用一个弹簧测力计拉橡皮条时的结果。‎ 考点二　数据处理和误差分析 ‎　　例2　将橡皮条的一端固定在A点,另一端拴上两根细绳,每根细绳分别连着一个量程为5N、最小刻度为0.1N的弹簧测力计,沿着两个不同的方向拉弹簧测力计,当把橡皮条与细绳的结点拉到O点时,两根细绳相互垂直,如图甲所示,这时弹簧测力计的读数可从图中读出。‎ 甲　　　　　　　　　　乙 - 17 -‎ 丙 ‎(1)由图甲可读出两个相互垂直的拉力的大小分别为　　　　N和　　　　N。 ‎ ‎(2)在如图乙所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。‎ ‎(3)图丙中a、b两图是两位同学得到的实验结果,其中　　图符合实际,若合力测量值F'是准确的,则F与F'有误差的原因可能是　　　　　　　　　　　。 ‎ 答案　(1)2.50　4.00(或4.00　2.50)‎ ‎(2)见解析图 ‎(3)b　误差原因见解析 解析　(1)弹簧测力计的最小刻度为0.1N,读数时应估读一位,所以读数分别为2.50N和4.00N。‎ ‎(2)取一个小方格的边长表示0.50N,作出两个力及它们的合力如图所示。‎ ‎(3)F'是用一个测力计拉橡皮条得到的,其方向一定在橡皮条所在直线上,所以b图符合实际。产生误差的原因主要有弹簧测力计读数偏差,分力方向确定不够准确等。‎ ‎　　变式2　(1)在“探究求合力的方法”实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上的A点,另一端系两个细绳套。实验中用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套,互成角度地施加拉力,使橡皮条与绳的结点伸长到纸面上某一位置O,如图甲所示。下面①~⑥是接下来的实验步骤,请将横线上的内容补充完整:‎ ‎①用铅笔描下结点位置,记为O;‎ - 17 -‎ ‎②记录两个弹簧测力计的示数F1、F2和两个细绳套的方向;‎ ‎③只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条与绳的结点仍拉到位置O,记录测力计的示数F和细绳套的方向;‎ ‎④按照力的图示要求,作出拉力F1、F2、F;‎ 甲 ‎⑤根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F';‎ ‎⑥通过比较F和　　　　的大小和方向,即可得出结论。 ‎ ‎(2)为什么两次拉橡皮条要将结点拉到同一位置?  　。 ‎ ‎(3)在图乙所示的正方形方格纸上按作图法的要求作出F1和F2的合力F',若选定相邻两个小方格边长的长度表示大小为1N的力,则F'=　　　　N。 ‎ 乙 答案　(1)F'　(2)两次将结点拉到同一位置,是为了使橡皮条产生形变的大小和方向相同,即合力和分力的作用效果相同　(3)图见解析　2.5‎ 解析　(1)通过对根据力的平行四边形定则合成的合力F'与用一个弹簧测力计把橡皮条的结点仍拉到位置O时所用的力F作比较,即可得出实验结论。‎ ‎(2)本实验应用等效替代的方法,即两次将结点拉到同一位置,从而使橡皮条产生形变的大小和方向相同,即合力和分力的作用效果相同。‎ - 17 -‎ ‎(3)根据平行四边形定则画出合力,然后根据题目给的“每相邻两个小方格边长的长度代表1N”来算出合力的大小,则F'=2.5N。‎ - 17 -‎ ‎1.如图所示,某同学在做“探究求合力的方法”实验,三个细绳套L1、L2、L3系于一个结点,另一端分别系于轻质弹簧测力计A、B和重物M上,A挂于固定点P。手持B拉动细绳,使结点静止于O点。‎ ‎(1)某次实验中A的指针位置如图所示,其读数为　　　　N。 ‎ ‎(2)下列实验要求中必要的是　　　　　　　　(填选项前的字母)。 ‎ A.弹簧测力计需要在实验前进行校零 B.细绳套方向应与木板平面平行 C.需要用弹簧测力计测量重物M的重力 D.弹簧测力计B始终保持水平 答案　(1)2.00　(2)ABC 解析　(1)弹簧测力计读数,每1N被分成10格,则1格就等于0.1N,所以读数为2.00N。‎ ‎(2)弹簧测力计必须在测量之前校零,故A正确;细绳套方向必须与木板平面平行,这样才确保力的大小准确性,故B正确;实验中需要用弹簧测力计测量出重物的重力,故C正确;该题中需要验证弹簧测力计A、B拉力的合力是否与绳L3的拉力(或者说M重力)等大、反向,B弹簧测力计不一定非要保持水平,故D错误。‎ ‎2.做“探究求合力的方法”实验中 ‎(1)下列仪器中,需要用到的是　　　　　　　　。 ‎ - 17 -‎ ‎(2)如图甲所示,用两个弹簧测力计同时拉橡皮条,使结点位于A位置。沿AB方向拉的弹簧测力计示数F1=2.00N,沿AC方向拉的弹簧测力计示数F2如图乙所示,F2=　　　N。 ‎ ‎(3)用一个弹簧测力计拉橡皮条,再次使结点位于A位置,此时弹簧测力计示数为F3=4.30N。请在图甲中画出F1、F2和F3三个力的图示,F1、F2、F3三个力中,属于合力的是　　　　(填“F1”“F2”或“F3”)。 ‎ 答案　(1)D　(2)3.00　(3)见解析图　F3‎ 解析　(1)所给仪器中,需要用到的是刻度尺。‎ ‎(2)弹簧测力计示数F2=3.00N。‎ ‎(3)F1、F2和F3三力的图示如图;属于合力的是F3。‎ ‎3.某实验小组的同学在验证力的平行四边形定则时,操作过程如下:‎ ‎①将一张白纸固定在水平放置的木板上,橡皮筋的一端固定在A点,另一端拴上两个细绳套,用两个弹簧测力计互成角度地拉两个细绳套,使细绳套和橡皮筋的结点位于图1中的O点;‎ - 17 -‎ 图1‎ ‎②在白纸上记录O点的位置和两细绳套的方向,同时读出两弹簧测力计的读数F1和F2;‎ ‎③选取合适的标度在白纸上作出F1和F2的图示,由平行四边形定则作出F1和F2的合力F;‎ ‎④用一个弹簧测力计拉细绳套,使细绳套和橡皮筋的结点仍到达O点;‎ ‎⑤在白纸上记录细绳套的方向,同时读出弹簧测力计的读数F';‎ ‎⑥按以上选取的标度在白纸上作出F'的图示,比较F和F'的大小和方向;‎ ‎⑦改变两细绳套的方向和弹簧测力计的拉力的大小,重复以上操作,得出实验结论。‎ ‎(1)下列对本实验的叙述中正确的是　　　　　　　　; ‎ A.两次拉伸橡皮筋应将橡皮筋沿相同方向拉到相同长度 B.两细绳套必须等长 C.每次都应将弹簧测力计拉伸到相同刻度 D.拉橡皮筋的细绳套要长一些,标记同一细绳套方向的两点要远一些 ‎(2)某次操作时两弹簧测力计的指针指在图1中所示的位置,则两弹簧测力计的读数分别为FB=　　　　　N、FC=　　　　　　N; ‎ ‎(3)如果本实验所用弹簧测力计的量程均为5N。其中图2甲中F1=3.00N、F2=3.80N,且两力互相垂直;图乙中F1=F2=4.00N,且两力的夹角为60°;图丙中F1=F2=4.00N,且两力的夹角为120°。其中明显不符合操作的是图　　　　　　　　。 ‎ - 17 -‎ 图2‎ 答案　(1)AD　(2)3.20　2.60　(3)乙 解析　(2)由弹簧测力计的读数规则可知FB=3.20N、FC=2.60N。‎ ‎(3)明显不符合操作的是题图乙,因为题图乙中两个力的合力超过了弹簧测力计的量程,若用一个弹簧测力计拉时拉不到O点。‎ ‎4.(1)在“探究求合力的方法”实验中要用到弹簧测力计,下图中弹簧测力计的读数是　　　　N。 ‎ ‎(2)在如下主要实验步骤中有重要遗漏的步骤的序号是　　　　和　　　　。 ‎ A.在桌面上放一块方木板,在方木板上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在方木板上;‎ B.用图钉把橡皮条的一端固定在方木板上的A点,在橡皮条的另一端拴上两条细绳,细绳的另一端系着绳套;‎ C.用两个弹簧测力计分别钩住绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置O,记下O点的位置,读出两个弹簧测力计的示数F1和F2;‎ D.按选好的标度,用铅笔和刻度尺作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示;‎ E.只用一个弹簧测力计,通过细绳套拉橡皮条使其伸长,读出弹簧测力计的示数,记下细绳的方向,按同一标度作出这个力F的图示;‎ F.用虚线把F1、F2和F的箭头端连接,分析F与F1、F2之间可能存在的关系。‎ G.改变两个力的大小和方向,多次重复上述实验,看看是否与第一次得到的结果一致,得出结论。‎ ‎(3)遗漏的内容分别是　　　　　　　　　　　　　和　　　　　　　　　　　　　。 ‎ - 17 -‎ 答案　(1)2.10　(2)C　E ‎(3)记下两条细绳的方向　把结点拉到同一位置O点 解析　(1)弹簧测力计的分度值为0.1N,故读数为2.10N。‎ ‎(2)(3)该实验采用“等效替代法”进行,即用一个弹簧测力计和两个弹簧测力计拉橡皮条与细绳套的结点时应该拉至同一位置O点,由于力是矢量,因此在记录数据时,不能光记录力的大小,还要记录其方向,则知在实验步骤中有重要遗漏的步骤的序号是C和E,C中遗漏的内容是:记下两条细绳的方向,E中遗漏的内容是:将结点拉到同一位置O点。‎ ‎5.某同学做“探究求合力的方法”实验,如图甲所示,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。‎ ‎(1)如果没有操作失误,图乙中的力F与F'中,方向一定沿AO方向的是　　　　　。 ‎ ‎(2)某同学认为实验中必须注意下列要求,其中正确的是　　　　　。(填选项前的字母) ‎ A.两根细绳必须等长 B.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上 C.在使用弹簧测力计时要使弹簧测力计与木板平面平行 D.细绳要适当长些 ‎(3)实验中两个操作步骤如下:‎ ‎①在水平放置的木板上垫一张白纸并固定好,把橡皮条的一端固定在木板上,另一端拴两根细绳,通过细绳同时用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条,使橡皮条与细绳的结点达到某一位置O点,在白纸上记下O点和两个弹簧测力计的读数,并记下两细绳的方向;‎ - 17 -‎ ‎②只用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条,使橡皮条的伸长量与用两个弹簧测力计拉时的伸长量相同,记下此时弹簧秤的读数和细绳的方向。‎ 其中有错误的步骤是　　　,正确操作应是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ‎ 答案　(1)F'　(2)CD　(3)②　将橡皮条与细绳结点拉到O点 解析　(1)F'是只用一个弹簧测力计把橡皮条的结点拉到位置O的力,故F'必沿AO方向。‎ ‎(2)细绳的作用是显示出力的方向,不必等长,A错误;只要确保用一个弹簧测力计拉时能将结点拉到同一位置即可,橡皮条不一定要在两绳夹角的平分线上,B错误;在拉弹簧测力计时必须要求弹簧测力计与木板平面平行,使结点受到的力在与木板平行的同一平面内,C正确;为了便于记录力的方向,并减小偶然误差,拉橡皮条的细绳要适当长些,使标记细绳方向的两点远些,D正确。‎ ‎(3)实验用到了等效法,用两个弹簧测力计拉橡皮条应与用一个弹簧测力计拉的效果相同,故错误的步骤是②,正确操作应是将橡皮条与细绳的结点拉到O点。‎ ‎6.一同学用电子秤、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。‎ ‎(1)如图(a),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(b),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。 ‎ - 17 -‎ ‎(3)如图(c),将另一颗墙钉B钉在与O同一水平位置上的某点,并将细线L1拴在其上。手握电子秤沿着(2)中L2的方向拉开细线L2,使　　　　　　　和三根细线的方向与(2)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　(2)三根细线的方向 ‎(3)结点O的位置 ‎(4)F和F'在误差允许范围内重合 解析　(1)要测量装满水的水壶的重力,则应记下水壶静止时电子秤的示数F。‎ ‎(2)要画出力的平行四边形,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的位置不能变化,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(2)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'在误差范围内重合,则平行四边形定则得到验证。‎ ‎7.“探究求合力的方法”的实验装置如图甲所示。‎ ‎(1)某次实验中,弹簧测力计的指针位置如图甲所示。其中,细绳CO对O点的拉力大小为 - 17 -‎ ‎　　　　N; ‎ ‎(2)请将图甲中细绳CO和BO对O点拉力的合力F合画在图乙上。由图乙求出合力的大小 F合=　　　　N(保留两位有效数字); ‎ ‎(3)某同学对弹簧测力计中弹簧的劲度系数是多少很感兴趣,于是,他将刻度尺与弹簧测力计平行放置,如图丙所示,利用读得的数据,他得出了弹簧的劲度系数。那么,该弹簧的劲度系数k=　　　　N/m(保留两位有效数字)。 ‎ 答案　(1)2.60　(2)见解析图　5.1　(3)60‎ 解析　(1)由图甲可读出细绳CO对O点的拉力大小为2.60N。‎ ‎(2)如图所示,结合作图可求知合力大小为5.1N。‎ ‎(3)由图丙可知,弹簧测力计0刻度线对应5.0mm,2.60N对应48.0mm,由胡克定律F=kx,解得k=Fx≈60N/m。‎ - 17 -‎