实验 探究两个互成角度力的合成规律

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变式3 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,可沿固定的圆弧形板移动。B固 定不动,通过光滑铰链连接长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)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O,此时拉力F的大
小可由测力计读出。测力计的示数如图(b)所示,F的大小为
N。
(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个测力计同时拉橡皮筋,再
次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方
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。
若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内,则该实
验验证了力的平行四边形定则。
答案 (1)4.0 (2)(ⅰ)F1、F2和F合如图所示
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(ⅱ)4.0 0.05
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解析 (1)测力计的分度值为0.2 N,F的大小为4.0 N。
(2)(ⅰ)图见答案。分别以F1、F2为邻边作平行四边形,并作出对角线,即得F合。
N;
同时利用(1)中结果获得弹簧上的弹力值为2.50 N,请在图丙中画出这两个共
点力的合力F合;
(3)由图得到F合=
N。(保留两位有效数字)
丙
答案 (1)如图所示 55(±2内均可)
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(2)2.10 如图所示
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(3)3.4(±0.2内均可) (4)甲 (5)①FC读数比真实值偏小;②确定力的方向不准确、作图不精确
向,由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1=4.2 N和F2=5.6 N。 (ⅰ)用5 mm长度的线段表示1 N的力,以O为作用点,在图(a)中画出力F1、F2的 图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合;
图(a)
图(b)
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(ⅱ)F合的大小为
N,F合与拉力F的夹角的正切值为
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(2)用两个校零后的弹簧测力计测量同一个物体发现示数相等,用这两个弹簧 测力计进行实验,拉力和示数之比相等,对实验结果没有影响;若两个弹簧测 力计测量前都没有校零,且没有拉力时弹簧测力计的示数都是0.3 N,则用此 弹簧测力计测量时,弹力的大小应等于示数减去0.3 N,根据示数作平行四边 形时,误差较大,对实验结果有影响。
(2)甲同学在做这个实验的时候,两个弹簧测力计的量程都是0~10 N,他把弹
簧测力计校零之后,先测量一个质量为1 kg的物体的重力,发现弹簧测力计的
示数为8.2 N,换用另外一个弹簧测力计测量这个物体的重力,发现示数还是
8.2 N,测量重力的操作都是正确的,如果用这两个弹簧测力计进行实验,对实验
结果有影响吗?
例3 (2019云南昆明教学质量检测)某学生实验小组设计了一个“验证力的 平行四边形定则”的实验,装置如图甲所示,在竖直放置的木板上部附近两 侧,固定两个力传感器,同一高度放置两个可以移动的定滑轮,两根细绳跨过 定滑轮分别与两力传感器连接,在两细绳连接的结点O下方悬挂钩码,力传感 器1、2的示数分别为F1、F2,调节两个定滑轮的位置可以改变两细绳间的夹 角。实验中使用若干相同的钩码,每个钩码质量均为100 g,取g=9.8 m/s2。
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(1)下列说法正确的是 ( ) A.实验中两个细绳套应适当长一些,可以减小实验误差 B.在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向
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C.在同一次实验中,作力F1、F2的图示时,必须选取同样的标度,而作力F'的图
示时,可以选取不同的标度
D.最后,连接F1、F2和F'三个力的末端,验证所得图形是不是平行四边形
弹力F(N)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
伸长量x(10-2 m)
0.74
1.80
2.80
3.72
4.60
5.58
6.42
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根据表中数据在图甲中作出F-x图像并求得该弹簧的劲度系数k= N/m;(保留两位有效数字)
甲
乙
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(2)某次实验中,弹簧测力计的指针位置如图乙所示,其读数为
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甲
乙
(1)关于实验,下列说法正确的是
。
A.实验开始前,需要调节木板使其位于竖直平面内
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B.每次实验都必须保证结点O位于同一位置 C.实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向 D.实验时还需要用一个力传感器单独测量悬挂于O点钩码的总重力 (2)根据某次实验得到的数据,该同学已经按照力的图示的要求画出了F1、F2, 请你作图得到F1、F2的合力F(只作图,不求大小),并写出该合力不完全竖直的 一种可能原因
(ⅱ)表示F合的线段的长度为20.0
mm,F合=
20.0 5
×1
N=
4.0
N。
F合与拉力F的夹角的正切值为tan
θ≈
21-20 20
=0.05。
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变式2 (2019辽宁沈阳东北育才质检)在“探究求合力的方法”实验中,现有
木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一把弹簧测力计。
(1)为完成实验,某同学另找来一根弹簧,先测量其劲度系数,得到的实验数据 如表:
图2
实验 器材 创新
实验 过程 创新
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1.电子秤代替弹簧测力计,可以直接读出力的大小 2.同一电子秤应用于(a)、(b)、(c)三个图中,可测得 三根细线中拉力的大小
1.探究拉伸过程对橡皮筋弹性的影响 2.橡皮筋上端固定,下端挂一重物,用水平力两次拉 动重物,对应不同的轨迹
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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,结点的位置O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。
。
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答案 (1)AC (2)如解析图所示 定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等(回答 出一项合理答案即可)
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解析 (1)实验开始前,需要调节木板使其位于竖直平面内,以保证钩码重力 等于细绳中的拉力,选项A正确;该装置每次实验不需要保证结点O位于同一 位置,选项B错误;实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的 方向,选项C正确;悬挂于O点钩码的总重力可以根据钩码的质量得出,不需要 力传感器测量,选项D错误。 (2)利用平行四边形定则作出F1和F2的合力F。该合力方向不完全在竖直方向 的可能原因是定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等。
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考点二 实验数据处理和误差分析
例2 (2017课标Ⅲ,22,6分)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,
将画有坐标轴(横轴为x轴,纵轴为y轴,最小刻度表示1 mm)的纸贴在水平桌面
上,如图(a)所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点(位于图示部分之外),
另一端P位于y轴上的A点时,橡皮筋处于原长。
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
;源自文库
②遗漏的内容分别是
和
。
答案 (1)F' (2)B (3)①C E ②记下两条细绳的方向 把橡皮条的结点拉到同一位置O '
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变式1 (2019安徽六安一中综合训练)在“验证力的平行四边形定则”实验 中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳套,如图甲 所示,实验中先用两个弹簧测力计分别钩住绳套,并互成角度地拉橡皮条,把 橡皮条的一端拉到O点,用铅笔描下O点位置和两个细绳套的方向,并记录弹 簧测力计的读数,然后只用一个弹簧测力计,通过细绳套再次把橡皮条的一端 拉到O点,记下弹簧测力计的读数F'和细绳套的方向,作出三个力的图示,如图 乙所示。
三、实验器材
木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、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。
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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 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。
点到达某一位置O'。记录下O'点的位置,读出两只弹簧测力计的示数;
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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;
创新角度
实验 原理 创新
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考点三 实验拓展和实验创新
实验装置/原理图 创新解读
图1:1.将橡皮筋和弹簧测力计的实验角色互换
2.挂钩上涂抹少许润滑油,保证了橡皮筋两侧
弹力大小相同,与两侧橡皮筋长度大小无关
图1
图2:1.通过应用定滑轮,改变拉力的方向
2.钩码的总重力即对应细绳的拉力大小
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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。 2.读数误差和作图误差。
(填“有”或“没有”)。乙同学实验后才发现忘记
对这两个弹簧测力计校零,他把两个弹簧测力计平放在实验台上,发现两个弹
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簧测力计的示数都是0.3 N,乙同学使用的弹簧测力计对实验结果有影响吗? (填“有”或“没有”)。
答案 (1)AB (2)没有 有
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解析 (1)拉橡皮条的细绳套适当长一些,方便画出力的方向,可以减小误差, 故A项正确;在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向,否则会 影响拉力大小,故B项正确;在同一次实验中,作力F1、F2的图示时,必须选取同 样的标度,而作力F'的图示时,也必须选取同样的标度,故C项错误;应该是以 F1、F2为邻边作出平行四边形,过O点作出平行四边形的对角线,该对角线表示 合力,比较合力和F'的关系,故D项错误。
4.只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮条与细绳套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。
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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。
(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,主要的步骤是:
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木板上,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.用两只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
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考点一 实验原理和实验操作
例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。
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(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 。
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实验 探究两个互成角度力的 合成规律
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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
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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等。