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2019-2020年高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第二章 實驗三 驗證力的平行四邊形定則高效演練 一、實驗?zāi)康? 1．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、細繩、彈簧測力計兩個、三角板、刻度尺． 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繩套． 3．用兩只彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條與繩的結(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繩的方向． 4．只用一只彈簧測力計通過細繩套把橡皮條的結(jié)點拉到同樣的位置O，記下彈簧測力計的讀數(shù)和細繩套的方向． 5．改變兩彈簧測力計拉力的大小和方向，再重做兩次實驗． 一、數(shù)據(jù)處理 1．用鉛筆和刻度尺從結(jié)點O沿兩條細繩方向畫直線，按選定的標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為鄰邊用刻度尺作平行四邊形， 過O點畫平行四邊形的對角線，此對角線即為合力F的圖示． 2．用刻度尺從O點按同樣的標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． 二、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O位置一定要相同． 3．用兩只彈簧測力計鉤住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之間為宜． 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．細繩套應(yīng)適當長一些，便于確定力的方向．不要直接沿細繩套的方向畫直線，應(yīng)在細繩套末端用鉛筆畫一個點，去掉細繩套后，再將所標點與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度要相同，并且要恰當選取標度，使所作力的圖示稍大一些． 三、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． 3．兩分力F1、F2間的夾角θ越大，用平行四邊形定則作圖得出的合力F的誤差ΔF也越大． 考點一　實驗操作及實驗原理　　　[學(xué)生用書P34] 　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為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細繩的結(jié)點，OB和OC為細繩．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________． (2)本實驗采用的科學(xué)方法是________． 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板上的A點，在橡皮條的另一端拴上兩條細繩，細繩的另一端系著繩套； C．用兩個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)點到達某一位置O.記錄下O點的位置，讀出兩個彈簧測力計的示數(shù)； D．按選好的標度，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，通過細繩套拉橡皮條使其伸長，讀出彈簧測力計的示數(shù)，記下細繩的方向，按同一標度作出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________和________； ②遺漏的內(nèi)容分別是________________________________________________________________________ 和________________________________________________________________________． [解析]　(1)由一個彈簧測力計拉橡皮條至O點的拉力一定沿AO方向；而根據(jù)平行四邊形定則作出的合力，由于誤差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F′. (2)一個力的作用效果與兩個力的作用效果相同，它們的作用效果可以等效替代，故B正確． (3)①根據(jù)“驗證力的平行四邊形定則”實驗的操作規(guī)程可知，有重要遺漏的步驟的序號是C、E. ②在C中未記下兩條細繩的方向，E中未說明是否把橡皮條的結(jié)點拉到同一位置O. [答案]　(1)F′　(2)B　(3)①C　E?、贑中應(yīng)加上“記下兩條細繩的方向”　E中應(yīng)說明“把橡皮條的結(jié)點拉到同一位置O” 考點二　數(shù)據(jù)處理及誤差分析 　　[學(xué)生用書P34] 　(xx高考江蘇卷)小明通過實驗驗證力的平行四邊形定則． 甲 (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)圖中給出的標度作圖求出 F1和F2的合力． (2)仔細分析實驗，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________. (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． [解析]　(2)以重物為研究對象，進行受力分析．重物受到重力、水平向右的拉力和橡皮筋的拉力，重物處于靜止狀態(tài)的合力為零，因橡皮筋的拉力方向相同，故橡皮筋的拉力相等． (3)橡皮筋的形變量和所受到的力有關(guān)，選項A錯誤；從圖上看，第二次運動軌跡遠離O點，橡皮筋第2次的形變量大，B正確；兩次拉伸到相同長度，第二次對應(yīng)的力小，選項C錯誤；拉力越大，由題圖丙可得橡皮筋兩次的長度差越大，故選項D正確． (4)注意選取橡皮筋的技巧：一要新；二要彈性好；三不要超過彈性限度．故拉力不應(yīng)該太大；橡皮筋不能太長；選用彈性較好的橡皮筋． [答案]　(1)如圖(F合＝4.6～4.9 N都算對) (2)Fa＝Fb　(3)BD (4)橡皮筋拉伸不宜過長；選用新橡皮筋(或：拉力不宜過大；選用彈性好的橡皮筋；換用彈性好的彈簧) [學(xué)生用書P35] xx年高考命題對本實驗可能從以下角度改進： 1．在水平面內(nèi)改為在豎直平面內(nèi)做實驗，拉橡皮筋改為懸掛重物，可避免橡皮筋彈性變化帶來的誤差． 2．彈簧測力計用力傳感器取代，可避免摩擦的影響，使讀數(shù)更方便、精確． 　某同學(xué)用如圖所示的實驗裝置來驗證“力的平行四邊形定則”．彈簧測力計A掛于固定點P，下端用細線掛一重物M.彈簧測力計B的一端用細線系于O點，手持另一端向左拉，使結(jié)點O靜止在某位置．分別讀出彈簧測力計A和B的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點的位置和拉線的方向． (1)本實驗用的彈簧測力計示數(shù)的單位為N，圖中A的示數(shù)為________N. (2)下列不必要的實驗要求是________． A．應(yīng)測量重物M所受的重力 B．彈簧測力計應(yīng)在使用前校零 C．拉線方向應(yīng)與木板平面平行 D．改變拉力，進行多次實驗，每次都要使O點靜止在同一位置 (3)某次實驗中，該同學(xué)發(fā)現(xiàn)彈簧測力計A的指針稍稍超出量程，請您提出兩個解決辦法． [解析]　(1)彈簧測力計的最小刻度為0.2 N，所以A的讀數(shù)為3.6 N. (2)根據(jù)三力平衡的特點可知，彈簧測力計A、B的拉力的合力與重物M的重力等值反向，故A項是必要的．彈簧測力計的零點誤差影響各拉力的測量值，所以使用前需校零，B項是必要的．只有拉線方向與木板平面平行，才能保證所研究的各力在同一平面內(nèi)，C項也是必要的．實驗中只需測出兩拉力的大小和方向以及重物的重力即可驗證平行四邊形定則，而測力計A的拉力不同時O點的位置就不同，故沒必要使O點靜止在同一位置，答案為D. (3)彈簧測力計A的指針稍稍超出量程，說明拉彈簧測力計A的力大了，可行的解決方法有：①改變彈簧測力計B拉力的大小或方向；②減小重物M的質(zhì)量(或?qū)更換成較大量程的彈簧測力計)． [答案]　(1)3.6　(2)D　(3)見解析 [點評]　本實驗利用了三力平衡的特點來驗證力的平行四邊形定則，實驗時沒有必要每次都使O點靜止在同一位置，只要整個裝置處于穩(wěn)定狀態(tài)即可，使操作更方便． [學(xué)生用書P35] 1．(xx長春模擬)在做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗時，橡皮條的一端固定在木板上，用兩只彈簧測力計把橡皮條的另一端拉到某一確定的O點，則下列說法中正確的是(　　) A．同一次實驗中，O點位置不允許變動 B．實驗中，只需記錄彈簧測力計的讀數(shù)和O點的位置 C．實驗中，把橡皮條的另一端拉到O點時，兩只彈簧測力計之間的夾角必須取90 D．實驗中，要始終將其中一只彈簧測力計沿某一方向拉到最大量程，然后調(diào)節(jié)另一只彈簧測力計拉力的大小和方向，把橡皮條另一端拉到O點 解析：選A.為保證等效，必須把橡皮條的某一端拉到同一點，故A正確；實驗中還要記錄拉力的方向，故B錯誤；兩拉力的夾角可以是其他的合適角度，C錯誤；實驗中不能超出彈簧測力計的最大量程，因此開始時彈簧測力計示數(shù)要小于最大量程，D錯誤． 2．(xx武漢調(diào)研)某同學(xué)利用如圖所示的裝置驗證力的平行四邊形定則．圖甲中GE是橡皮條，輕質(zhì)小圓環(huán)掛在橡皮條的下端；圖乙中用兩個互成角度的拉力F1、F2將小圓環(huán)拉至O點；圖丙中用一個拉力F將小圓環(huán)仍拉至O點．下列說法正確的是(　　) A．進行圖乙中的操作時，拉力F1、F2的方向一定相互垂直 B．在圖乙、丙中，橡皮條必須沿豎直方向拉伸 C．在圖乙、丙中，必須將小圓環(huán)拉至相同的位置 D．圖乙操作完成后，可更換橡皮條，繼續(xù)完成圖丙所示的實驗步驟 解析：選C.進行圖乙中的操作時，只需兩拉力F1、F2的大小、方向明確，不一定相互垂直，選項A錯誤；圖乙、丙中的實驗產(chǎn)生的效果相同，就是將小圓環(huán)拉至相同的位置，圖乙操作完成后，若更換橡皮條，則不能驗證力的平行四邊形定則，選項C正確，B、D錯誤． 3．下面是關(guān)于“驗證力的平行四邊形定則”的實驗． (1)如圖為利用實驗記錄的結(jié)果作出的圖，則圖中的________是力F1和F2的合力理論值，________是力F1和F2的等效合力的實際測量值． (2)如果某同學(xué)實驗中測出F1＞F2的同時，運用量角器測量出F1和F2的夾角為75，然后做出如下的幾個推斷，其中正確的是________． A．將F1轉(zhuǎn)動一定的角度，可以使合力F的方向不變 B．將F2轉(zhuǎn)動一定的角度，可以使合力F的方向不變 C．保持F1的大小和方向不變，將F2逆時針轉(zhuǎn)動30，可以使合力F的大小和方向都不變 D．只有保持F1和F2的大小不變，同時轉(zhuǎn)動一定的角度，才可能使合力F的大小和方向都不變 解析：(1)等效合力在方向上沒有誤差，一定在AO方向上． (2)由平行四邊形定則易知A、B正確，C、D錯誤． 答案：(1)F　F′　(2)AB 4．(xx深圳模擬)根據(jù)要求，完成“驗證力的平行四邊形定則”實驗． (1)如圖甲所示，把白紙固定在木板上后，再把木板豎立在桌面上，用圖釘把橡皮筋的一端固定在A點，另一端B連接兩條輕繩，跨過定滑輪后各拴一細繩套，分別掛上3個鉤碼和4個鉤碼(每個鉤碼重1 N)，調(diào)整滑輪的位置，穩(wěn)定后結(jié)點B位于O處，記下________和兩條細繩的方向，取下滑輪及鉤碼． (2)如圖乙所示，取某單位長度表示1 N，用力的圖示作出兩條細繩的拉力F1和F2；再用一個彈簧測力計把結(jié)點B也拉至O處，記下彈簧測力計的讀數(shù)F′＝________N，取下彈簧測力計． (3)在圖丙中作出F1和F2的合力F及拉力F′的圖示． (4)對比F和F′的大小和方向，發(fā)現(xiàn)它們不是完全一致的，其可能的原因是________________________(填一個原因)． 解析：(1)本實驗中應(yīng)記錄結(jié)點O的位置． (2)讀數(shù)為5.0 N. (3)力的圖示如圖所示． (4)產(chǎn)生誤差的原因有測量存在誤差；作圖沒有畫準；彈簧測力計自身重力的影響；滑輪與繩之間的摩擦力等． 答案：(1)O的位置　(2)5.0　(3)、(4)見解析 5.(xx衡陽模擬)如圖所示，某實驗小組同學(xué)利用DIS實驗裝置研究支架上力的分解．A、B為兩個相同的雙向力傳感器，該型號傳感器在受到拉力時讀數(shù)為正，受到壓力時讀數(shù)為負．A連接質(zhì)量不計的細繩，可沿固定的板做圓弧形移動．B固定不動，通過光滑鉸鏈連接長0.3 m的桿．將細繩連接在桿右端O點構(gòu)成支架．保持桿在水平方向，按如下步驟操作： ①測量繩子與水平桿的夾角∠AOB＝θ ②對兩個傳感器進行調(diào)零 ③用另一根繩在O點懸掛一個鉤碼，記錄兩個傳感器的讀數(shù) ④取下鉤碼，移動傳感器A改變θ角 重復(fù)上述實驗步驟，得到表格. F1 1.001 0.580 … 1.002 … F2 －0.868 －0.291 … 0.865 … θ 30 60 … 150 … (1)根據(jù)表格，A傳感器對應(yīng)的是表中力________(選填“F1”或“F2”)．鉤碼質(zhì)量為________kg(保留一位有效數(shù)字)． (2)本實驗中多次對傳感器進行調(diào)零，對此操作說明正確的是________． A．因為事先忘記調(diào)零 B．何時調(diào)零對實驗結(jié)果沒有影響 C．為了消除橫桿自身重力對結(jié)果的影響 D．可以完全消除實驗的誤差 解析：(1)A傳感器中的力均為正值，故A傳感器對應(yīng)的是表中力F1，平衡時，mg＝F1sin θ，當θ＝30時，F(xiàn)1＝1.001 N，可求得m＝0.05 kg. (2)在掛鉤碼之前，對傳感器進行調(diào)零，目的是為了消除橫桿自身重力對結(jié)果的影響，故C正確． 答案：(1)F1　0.05　(2)C