高考物理总复习 第8讲 实验二 力的平行四边形定则讲义

第8讲实验二：力的平行四边形定则
考查内容考纲要求考查年份考查详情能力要求
实验、探究：
力的平行四
边形定则14年
T11—实验，以验证力的
平行四边形定则为背
景，探究拉伸过程对橡
皮筋弹性的影响
实验与探究弱项清单作图能力欠缺
实验储备一、实验目的
1．会用弹簧秤和细线测出力的大小和方向．
2．验证互成角度的两个共点力的合成，遵从平行四边形定则(或“探究合力与分力之间的关系”)
二、实验原理
如果两个互成角度的共点力F1、F2作用于橡皮筋的结点上，与只用一个力F′作用于橡皮筋的结点上，所产生的效果________(橡皮筋在相同方向上伸长相同的长度)，那么，F′就是F1和F2的合力．根据____________定则作出两共点力F1和F2的合力F的图示，应与F′的图示等大同向．
三、实验器材
方木板一块；白纸；________________；橡皮筋；细绳套(两个)；三角板；刻度尺；图钉若干；细芯铅笔．
四、实验步骤
1．用图钉把一张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板上的A点，把两条细绳套结在橡皮条的另一端．3．用两个弹簧秤分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O(如图所示)．
4．用铅笔描下结点O的位置和两条细绳套的方向，并记录弹簧秤的读数．在白纸上按比例作出两个弹簧秤的拉力F1和F2的图示．利用刻度尺和三角板根据平行四边形定则求出合力F.(或利用刻度尺和三角板作出F1和F2的图示)
5．只用一个弹簧秤，通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面相同的位置O，记下弹簧秤的读数和细绳的方向．按同样的比例用刻度尺从O点起做出这个弹簧秤的拉力F′图示．6．比较F′与用平行四边形定则求得的合力F，在实验误差允许的范围内是否相等．(或把表示F1、F2、F′的图示的箭头用虚线连接起来，观察分析F′与F1、F2之间的关系，是否构成平行四边形)
7．改变两个分力F1和F2的大小和夹角，再重复实验两次，比较每次的F与F′是否在实验误差允许的范围内相等．(或观察分析每次F′与F1、F2之间的关系，是否构成平行四边形)
五、实验结论
在实验允许的误差范围内F和F′大小相等、方向相同．
六、数据处理
结论：在实验误差范围内，F与F′可以认为是重合的，由此验证了求F1和F2的合力，应遵循平行四边形定则．
七、误差分析
1．实验中，如果直接以橡皮条的端点为结点，会使结点位置的确定造成误差．所以，应在橡皮条一端挂一短绳，再连两细绳套，以三绳交点作为结点．
2．用弹簧秤测量力的大小时，应注意以下几种影响误差的因素：(1)使用前是否在水平面内校零．(2)细绳不与木板接触，但要通过弹簧的轴线，而且弹簧不要与外壳接触，所以细绳套要长一些，以便将弹簧秤拉到木板边缘以外，同时，用手托着秤身向外拉绳．3．为使读数的相对误差减小，拉力要适当地大一些，但要兼顾合力不要过大．合力过大，一会超出橡皮条的弹性限度，二会超出弹簧秤的测量范围．
4．在橡皮条伸长相同的情况下，为使两个测力计有较大的读数，两测力计的夹角不宜过小，但也不宜过大．一般情况下，应在60°～120°之间．
5．记录细绳方向时，视线要与板面垂直．可用细铅笔沿线轻点数个点，然后再用直尺连线．
八、注意事项
1．不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置．
2．不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧秤拉橡皮条，要反复做几次使橡皮条拉伸到相同的长度看弹簧秤读数有无变化．
3．同一次实验中橡皮条拉长后的结点位置O必须保持不变．
4．弹簧秤在使用前应将其水平放置，然后检查、校正零点，将两弹簧秤互相钩着水平拉伸．选择两只读数完全一致的弹簧秤使用．
5．施加拉力时要沿弹簧秤轴线方向，应尽量位于与纸面平行的同一平面内．
6．使用弹簧秤时，拉力适当得大一些．
7．画力的图示时应选择适当的标度，尽量使图画大一些，要严格按力的图示要求和几何作图法作出平行四边形，求出合力．技能优化【典型例题1】某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，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．
甲
乙
(1)如果没有操作失误，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是____________．
(2)本实验采用的科学方法是______．
A．理想实验法 B．等效替代法
C．控制变量法 D．建立物理模型法
(3)实验时，主要步骤是：
A．在桌上放一块方木板，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，使橡皮条伸长，结点达到某一位置O，记录下O点的位置，读出两个弹簧测力计的示数；
D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F；
E．只用一只弹簧测力计，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．比较F′和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论．
上述步骤中：①有重要遗漏的步骤的序号是______和______；
②遗漏的内容分别是____________________________________和____________________________________．
【典型例题2】如图所示，某实验小组同学利用DIS实验装置研究支架上力的分解．A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负．A连接质量不计的细绳，可沿固定的板做圆弧形移动．B固定不动，通过光滑铰链连接长为0.3 m的杆．将细绳连接在杆右端O点构成支架．保持杆在水平方向，按如下步骤操作：
①测量细绳与水平杆的夹角∠AOB＝θ；
②对两个传感器进行调零；
③用另一根细绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数；
④取下钩码，移动传感器A改变θ角；
重复上述实验步骤，得到表格.
F1 1.0010.580… 1.002…
F2－0.868－0.291…0.865…
θ30°60°…150°…
(1)根据表格，A传感器对应的是表中力______(选填“F1”或“F2”)．钩码质量为______kg(结果保留一位有效数字，g＝10 m/s2)．
(2)本实验中多次对传感器进行调零，对此操作说明正确的是______．
A．因为事先忘记调零
B．何时调零对实验结果没有影响
C．为了消除横杆自身重力对结果的影响
D．可以完全消除实验的误差
当堂检测 1.(多选)如图所示在“验证力的平行四边形定则”实验中，橡皮筋一端固定于P点，另一端连接两个弹簧秤，分别用力F1与F2拉两个弹簧秤，使这端拉至O点，若要这端始终位于O点，但使力F2大小不变地沿顺时针转过某一小角度，相应地使F1的大小
及图中β角作以下的哪些变化是可能的( )
第1题图
A．增大F1的同时增大β角
B．增大F1的同时保持β角不变
C．增大F1的同时减小β角
D．减小F1的同时减小β角
2．某同学通过实验验证力的平行四边形定则，实验记录纸如图所示，O点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置，两弹簧测力计共同作用时，拉力F1后F2的方向分别过P1和P2点；一个弹簧测力计拉橡皮筋时，拉力F3的方向过P3点．三个力的大小分别为：F1＝4.00 N、F2＝4.60 N，F3＝5.30 N.
第2题图
(1)请根据图中给出的标度作出F1和F2的合力F；
(2)读出F＝________N；
(3)理想情况下，F应该沿________方向．
3．有同学利用如图所示的装置来探究力的平行四边形定则：在竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，将绳子打一个结O，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码的个数读出三根绳子的拉力F TOA、F TOB和F TOC，回答下列问题：
(1)改变钩码的个数，能完成实验的是( )
A．钩码个数N1＝N2＝2，N3＝4
B．钩码个数N1＝N3＝3，N2＝4
C．钩码个数N1＝N2＝N3＝4
D．钩码个数N1＝3，N2＝4，N3＝5
(2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是( )
A．标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向
B．量出OA、OB、OC三段绳子的长度
C．用量角器量出三段绳子之间的夹角
D．用天平测出钩码的质量
(3)在作图时，你认为下图中正确的是______(选填“甲”或“乙”)．
甲乙
第3题图
第8讲实验二：力的平行
四边形定则
实验储备
二、相同平行四边形
三、弹簧秤(两只)
技能优化
·典型例题1·(1)F′(2)B (3)①C E
②C中应加上“记下两条细绳的方向”E中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置O′”
【解析】(1)由一个弹簧测力计计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向；而根据平行四边形定则作出的合力，由于误差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F′.
(2)一个力的作用效果与两个力的作用效果相同，它们的作用效果可以等效替代，故B 正确．(3)①根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作步骤可知有重要遗漏的步骤的序号是C、E.②在C中未记下两条细绳的方向，E中未说明是否把橡皮条的结点拉到了同一位置O.
·典型例题2·(1)F10.05 (2)C 【解析】(1)A传感器中的力均为正值，故A传感器对应的是表中力F1，系统平衡时，在竖直方向上mg＝F1sinθ，当θ＝30°时，F1＝1.001 N，可求得m≈0.05 kg.(2)在挂钩码之前，对传感器进行调零，目的是为了消除横杆自身重力对结果的影响，故C正确．
当堂检测
1．ABC 【解析】以结点O为研究对象，结点O受OP的拉力F、F1、F2三个力的作用而处于平衡，由于OP的拉力F不变，因此F1、F2的合力始终不变且恒为F，作出F2沿顺时针方向转动某一小角度的矢量三角形，如图所示：
第1题图
2．(1)见解析(2) 5.5 N～6.0 N (3)OP3或F3【解析】
第2题图
3．(1)BCD (2)A (3)甲【解析】(1)实验中的分力与合力的大小关系必须满足|F TOA－F TOB|<F TOC<F TOA＋F TOB，因此选项B、C、D是可以完成实验的．(3)实验中F TOC是竖直向下的，拉力F TOA和F TOB的合力F合由于误差不与F TOC等大反向，因此甲正确，乙错误．。