高考物理总复习实验专题3 第10讲 验证力的平行四边形定则

(1)由图甲可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为___2_._5_0____ N 和 ____4_._0_0_(或__4_._0_0___2_.5_0_)_____ 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。 答案 如图所示
(3)图丙中 a、b 两图是两位同学得到的实验结果，其中哪一个图符合实 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哪些？
D．检验对角线的长度和绕过滑轮 P1 绳拉力的图示的长度是否一样， 方向是否在一条直线上。
(1)第一次实验中，若一根绳挂的钩码质量为 m，另一根绳挂的钩码质 量 为 2m ， 则 第 三 根 绳 所 挂 的 钩 码 质 量 M 应 满 足 关 系 ： _____m__<_M__<_3_m_______。
第二章 相互作用
实验专题(三) 第10讲 验证力的平 行四边形定则
基础命题点 课本原型实验
一、实验目的 验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。 二、实验器材 方木板、白纸、弹簧测力计(两个)、橡皮条、细绳套(两个)、短细绳、 三角板、刻度尺、图钉(几个)、铅笔。
三、实验原理 一个力 F′的作用效果和两个力 F1、F2 的作用效果都是让同一条一端 固定的橡皮条伸长到同一位置，所以力 F′就是这两个力 F1 和 F2 的合力。 作出力 F′的图示，再根据平行四边形定则作出力 F1 和 F2 的合力 F 的图 示，比较 F 和 F′的大小和方向是否相同，若相同，则说明互成角度的两 个力合成时遵循平行四边形定则。
五、数据处理——作图法 1．用铅笔和刻度尺从结点 O 沿两个细绳套方向画直线，按选定的标度 作出这两个弹簧测力计的拉力 F1 和 F2 的图示，并以 F1 和 F2 为邻边用刻度 尺作平行四边形，过 O 点画平行四边形的对角线，此对角线即为合力 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只用一个弹簧测力 计时的拉力 F′的图示。 3．比较力 F′与用平行四边形定则求出的合力 F 的大小和方向是否相 同。
Ⅱ.另一个实验小组在“验证力的平行四边形定则” 的实验中，某同学的实验情况如图所示，其中 A 为固定橡 皮筋的图钉，O 为橡皮筋与细绳的结点，OB 和 OC 为细 绳。
(1)本实验中，采取下列哪些方法和步骤可以减小实验误差___B_D____。 A．两个分力 F1、F2 间的夹角尽量小些 B．两个分力 F1、F2 的大小要适当大些 C．拉橡皮筋的细绳要稍短一些 D．实验中，弹簧测力计必须与木板平行，读数时视线要正对弹簧测力 计刻度
(1)用铅笔描下结点位置，记为 O；
(2)记录两个弹簧测力计的示数 F1 和 F2，沿每条细绳(套)的方向用铅笔 分别描出几个点，用刻度尺把相应的点连成线；
(3)只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置 O，
记录测力计的示数
F3
，
_沿__此__时__细__绳__(_套__)_的__方__向__用__铅__笔__描__出__几__个__点__，__用__刻__度__尺__把__这__些__点__连__成__直__线__；
(2019·四川雅安中学高三开学考试)两个实验小组做了如下两个实验， 请回答下列问题：
Ⅰ.一个实验小组利用图甲实验装置探究“求合力的方法”。
(1)下列说法中正确的是( AC )
A．在测量同一组数据 F1、F2 和合力 F 的过程中，橡皮条结点 O 的位 置不能变化
B．弹簧测力计拉细线时，拉力方向必须竖直向下
解析
实验注意事项 (1)不要直接以橡皮条的端点为结点，可拴一短细绳连接两个细绳套， 以三绳交点为结点，且应使结点小些，以便准确地记录结点的位置 O。在 同一次实验中，橡皮条伸长时的结点位置要相同。 (2)使用弹簧测力计前，应先调节零刻度，使用时不能超过量程。拉弹 簧测力计时，应使弹簧测力计与木板平行。被测力的方向应与弹簧测力计 轴线方向一致，拉动时不可使弹簧测力计外壳与任何物体相碰或有摩擦。 读数时应正对、平视刻度。
[例 1] 在“验证力的平行四边形定则”实验 中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板 上，将橡皮条的一端固定在板上一点，两个细绳套 系在橡皮条的另一端。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，使橡皮条伸长， 结点到达纸面上某一位置，如图所示。请将以下的 实验操作和处理补充完整：
答案 b 图 见解析 解析 (3)合力的测量值 F′沿 AO 方向，故 b 图符合实际。F 与 F′有 误差的原因：①弹簧测力计本身有误差；②读数误差；③作图误差。
解析
(1)弹簧测力计读数时要注意估读。 (2)作图时要选好标度，合力 F 合的大小要根据所选标度和作出的力的 平行四边形的对角线长度计算得出。 (3)实验理论值不一定沿橡皮条方向，但单个弹簧测力计的拉力 F′一 定沿橡皮条方向，读数不准和作图不准都可能使 F 与 F′不完全重合。
步骤如下：
A．在三根轻绳下挂上一定数量的钩码，调整滑轮 P2、P3 的位置并使 结点 O 静止；
B．在白纸上描下 O 点的位置和三根绳子的方向，以 O 点为起点，用 同一标度作出三个拉力的图示；
C．以绕过滑轮 P2、P3 绳的两个力为邻边作平行四边形，作出以 O 点 为起点的平行四边形的对角线，量出对角线的长度；
(4)按照力的图示要求，作出拉力 F1、F2、F3 的图示； (5)根据力的平行四边形定则作出 F1 和 F2 的合力 F； (6)比较____F__和__F_3_____的一致程度，若有较大差异，对其原因进行分
析，并作出相应的改进后再次进行实验。
解析 使一个力 F3 的作用效果和两个力 F1、F2 的共同作用效果相同， 都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到某点，则力 F3 就是这两个力 F1、F2 的合力。作出力 F3 的图示，再根据力的平行四边形定则作出力 F1、F2 的合 力 F 的图示，比较 F 和 F3 的大小和方向是否相同，从而验证力的平行四边 形定则。
(3)细绳套应适当长一些，便于确定拉力的方向。不要直接沿细绳套的 方向画直线，应在细绳套下端某处用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将 所标点与 O 点连接，即可确定拉力的方向。
(4)两个拉力 F1 和 F2 的夹角不宜过小或过大，作力的图示时，标度要 一致且尽量稍大一些。
[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 5 N、最小刻度为 0.1 N 的弹簧测力计，沿着两个不同 的方向拉弹簧测力计，当橡皮条的活动端拉到 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。
方向间夹角并非一定Fra Baidu bibliotek为 90°，故 D 错误。故选 A、C。
(2)由图乙弹簧测力计的指针指示可知，拉力的大小为 4.00 N。
(3)本实验中，合力产生的效果与两个分力产生的效果是相同的，所以
采用的科学方法是等效替代法，C 正确。
解析
Ⅱ.(1)根据平行四边形定则可知夹角太小将会导致合力过大，用一个弹 簧测力计拉时可能会超过量程，故夹角不能太小，适当即可，故 A 错误； 为了减小读数误差，应让两力适当大些，故 B 正确；为了准确记下拉力的 方向，采用两点描线时两点应尽量距离大一些，故细绳应稍长些，故 C 错 误；为了减小因摩擦造成的误差，应使各力尽量与木板平行，弹簧测力计 读数时，视线要正对刻度，故 D 正确；故选 B、D。
C．F1、F2 和合力 F 的大小都不能超过弹簧测力计的量程 D．为减小测量误差，F1、F2 方向间夹角应为 90° (2)实验中某弹簧测力计的指针如图乙所示，由图可知拉力的大小为
___4_.0_0___ N。
(3)本实验采用的科学方法是( C )
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
(2)第二次实验时，改变滑轮 P2、P3 的位置和相应绳上钩码的数量，使 结点平衡，绳的结点__不__必_____ (选填“必须”或“不必”)与第一次实验中 白纸上描下的 O 点重合。实验中，若桌面倾斜，___不__会_____ (选填“会”或 “不会”)影响实验的结论。
解析 (1)若一根绳挂的钩码质量为 m，另一根绳挂的钩码质量为 2m， 则这两根绳子的拉力分别为：mg、2mg，两绳不共线，两根绳子拉力的合 力 F 的范围是：2mg－mg<F<2mg＋mg，即 mg<F<3mg；三力的合力为零， 则第三根绳拉力范围为 mg<F3<3mg，第三根绳挂的钩码质量 M 应满足： m<M<3m。
(2)由于要求拉力的作用效果相同，拉力与绳子的性质无关，故将两个 细绳套换成两根橡皮筋，不会影响实验结果。
(3)该实验的目的是验证力的平行四边形定则，要根据两个弹簧测力计 拉橡皮筋时两个拉力的大小和方向作出平行四边形，求出其合力大小、方 向，然后与一个弹簧测力计拉橡皮筋时的拉力进行比较，最后得出结论， 故需要记录的是两拉力的大小和方向以及结点的位置，故选 A、C、D。 解析
(2) 若 将 细 绳 也 换 成 橡 皮 筋 ， 则 实 验 结 果 是 否 会 发 生 变 化 ？ 答 ： ____不__变__化______(选填“变化”或“不变化”)。
(3)为了完成实验，在用两个完全相同的弹簧测力计成一定角度拉橡皮
筋时，必须记录的有( ACD )
A．两细绳的方向
B．橡皮筋的原长
四、实验步骤 1．用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上，并用图钉把橡皮条的一 端固定在 A 点，橡皮条的另一端拴一短细绳，短细绳的 另一端拴上两个细绳套。 2．用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度 地拉橡皮条，使橡皮条伸长到某一位置 O，如图所示， 记录两个弹簧测力计的读数 F1、F2，用铅笔描下 O 点 的位置及此时两个细绳套的方向。 3．只用一个弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置 O， 记下弹簧测力计的读数 F′和细绳套的方向。
果相同，要使橡皮条沿相同方向的伸长量相同，则 O 点的位置应固定，故
A 正确；弹簧测力计拉细线时，拉力方向不一定要竖直向下，只要把结点
拉到同一位置即可，故 B 错误；在实验的过程中 F1、F2 和合力 F 的大小都
不能超过弹簧测力计的量程，故 C 正确；本实验只要使两次实验效果相同
即可，两个弹簧测力计拉力的方向的夹角不要太大，也不要太小，F1、F2
C．两弹簧测力计的示数
D．结点 O 的位置
(4)若保持结点 O 的位置及 OB 绳方向不变，而将 OC 顺时针缓慢转动 一小角度，其他操作均正确，则( BC )
A．弹簧测力计甲的示数不变 B．弹簧测力计甲的示数一直减小 C．弹簧测力计乙的示数可能增大 D．弹簧测力计乙的示数一定先减小后增大
解析 Ⅰ.(1)要保证两个弹簧测力计的拉力与一个弹簧测力计的拉力效
解析
能力命题点 实验改进与创新
实验拓展创新的两种类型 (1)对实验原理、实验方法的迁移
(2)实验器材的改进 ①橡皮筋―替―代→弹簧测力计。 ②钩码―替―代→弹簧测力计。
某实验小组用如图所示的器材验证“力的平行四边形定则”。在水平 的圆形桌面上平铺一张白纸，在桌子边缘安装三个光滑的滑轮，其中，滑 轮 P1 固定在桌子边，滑轮 P2、P3 可沿桌边移动。
(4)对结点 O 受力分析，受到两个弹簧测力计的拉力和橡皮筋的拉力， 保持结点 O 的位置及 OB 绳方向不变，则橡皮筋长度不变，其拉力大小不 变，即两弹簧测力计拉力的合力不变，如图所示。
由图可知，OC 顺时针缓慢转动一小角度，弹簧测力 计甲的示数一直减小，弹簧测力计乙的示数可能增大， 也有可能减小，故 A、D 错误，B、C 正确。
注意：在“验证力的平行四边形定则”的实验中，由作图法得到的合 力 F 与实际测量得到的合力 F′不可能完全重合，只要在误差允许的范围 内可以认为 F 与 F′重合，即可验证力的平行四边形定则，如图所示。
六、误差分析 1．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，若橡皮条、细绳和弹簧测力计不在 同一个平面内，两个弹簧测力计的水平分力的实际合力会比由作图法得到 的合力小。 2．读数误差 弹簧测力计示数在允许的情况下，尽量大一些，读数时眼睛一定要正 视刻度，要按读数规则正确读数和记录。 3．作图误差 结点 O 的位置描得不准确，两个弹簧测力计的拉力的夹角太大或太小， 导致作图时力方向画得不准确，力的标度选得不恰当导致作图不准确等。