人教版 (2019)必修 第一册第三章 相互作用——力4 力的合成和分解课文配套ppt课件
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实验:探究两个互成角度的力的合成规律实验目标:1.验证互成角度的两个力合成的平行四边形定则。 2.练习用作图法求两个力的合力。一、实验原理和方法1.合力F′的确定:一个力F′的作用效果与两个共点力F1与F2共同作用的效果都是把橡皮条拉伸到某点,则F′为F1和F2的合力。2.合力理论值F的确定:根据平行四边形定则作出F1和F2的合力F的图示。3.平行四边形定则的验证:在实验误差允许的范围内,比较F′和F是否大小相等,方向相同。二、实验器材方木板、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(若干)、铅笔。三、实验步骤1.仪器的安装:用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。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,如图所示。2.操作与记录(1)两力拉:用两个弹簧测力计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)。用铅笔描下结点O的位置和两条细绳套的方向,并记录弹簧测力计的读数。(2)一力拉:只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面相同的位置O,记下弹簧测力计的读数和细绳套的方向。(3)改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再重做两次实验。四、数据处理1.用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线,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实验步骤(2)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。五、误差分析(1)读数误差:弹簧测力计数据在允许的情况下,尽量大一些,读数时眼睛一定要正视,要按有效数字正确读数和记录。(2)作图误差:①结点O的位置和两个弹簧测力计的方向画得不准确,造成作图误差。②两个分力的起始夹角α太大,如大于120°,再重复做两次实验,为保证结点O位置不变(即保证合力不变),则α变化范围不大,因而弹簧测力计示数变化不显著,读数误差较大,导致作图产生较大误差。③作图比例不恰当、不准确等造成作图误差。六、注意事项1.正确使用弹簧测力计(1)测量前应首先检查弹簧测力计的零点是否准确,注意使用中不要超过其弹性限度。(2)实验时,弹簧测力计必须保持与木板平行,且拉力应沿轴线方向。弹簧测力计的指针、拉杆都不要与刻度板和刻度板末端的限位孔发生摩擦。(3)读数时应正对、平视刻度,估读到最小刻度的下一位。2.规范实验操作(1)位置不变:在同一次实验中,将橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。(2)角度合适:两个弹簧测力计所拉细绳套的夹角不宜太小,也不宜太大,以60°~100°为宜。(3)在不超出弹簧测力计量程及在橡皮条弹性限度内的前提下,测量数据应尽量大一些。(4)细绳套应适当长一些,便于确定力的方向。不要直接沿细绳套方向画直线,应在细绳套两端画个投影点,去掉细绳套后,连直线确定力的方向。3.规范合理作图:在同一次实验中,画力的图示选定的标度要相同,并且要恰当选定标度,使力的图示稍大一些。 类型一 实验原理与操作【典例1】 在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中,某同学将橡皮条的一端固定于A点。(1)用两只弹簧测力计将橡皮条的另一端拉至O点,其中一只弹簧测力计的示数如图所示,则其示数为________N。(2)在分别读出两个弹簧测力计的示数F1和F2后,还必须记录的是________。A.两细绳套的夹角 B.两个细绳套的方向C.橡皮条伸长后的总长度 D.细绳套的长度(3)改用一只弹簧测力计将橡皮条的另一端再次拉到O点,记下弹簧测力计示数F′及细绳套的方向。用力的图示法在纸上画出表示三个力的有向线段,以表示F1和F2的线段为邻边作平行四边形,并作出F1和F2之间的对角线F,发现对角线F与F′不重合,实验误差产生的原因有哪些?(写出一个原因即可)_____________________________________________________。(4)关于本实验,下列说法中正确的是________。A.弹簧测力计不需要在实验前进行校零B.弹簧测力计的示数越大越好C.拉两个细绳套时,两拉力夹角应为90°D.拉细绳套时,拉力应与木板平行[解析] (1)根据弹簧测力计每一小格代表0.2 N,则指针指示的示数为2.6 N。(2)本实验要探究互成角度的力的合成规律——平行四边形定则,需要记录O点的位置以及F1和F2的大小和方向,故选项B正确,A、C、D错误。(3)上述实验误差产生的原因可能有弹簧测力计读数有误差、力的方向记录不准确、作图不准确等原因。(4)弹簧测力计需要在实验前进行校零,以便减小力的读数误差,A错误;弹簧测力计的示数并不是越大越好,适当即可,同时注意不要超过量程,B错误;拉两个细绳套时,两拉力夹角不一定为90°,适当即可,保证画出的平行四边形尽量充满纸面,C错误;拉细绳套时,拉力应与木板平行,同时还要注意读数时视线要与刻度垂直,从而减小实验误差,D正确。[答案] (1)2.6 (2)B (3)弹簧测力计读数有误差、力的方向记录不准确、作图不准确等(其他答案正确也可) (4)D 类型二 实验数据处理和误差分析【典例2】 (2020·天津六校高一联考)某实验小组用橡皮条与弹簧测力计验证力的平行四边形定则,实验装置如图所示。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。(1)本实验用的弹簧测力计的示数的单位为N,图中弹簧测力计的示数为________N。(2)实验时,同一次实验中结点O的位置________(选填“能”或“不能”)改变。(3)实验时,如果将橡皮条换成细弹簧,________(选填“会”或“不会”)影响实验结果。[解析] (1)弹簧测力计分度值为0.1 N,所以读数为3.40 N。(2)实验时,为了保证等效性,同一次实验中两次拉橡皮条的结点O的位置不能改变。(3)实验中要应用平行四边形作出两个力的合力验证平行四边形定则,所以实验时,如果将橡皮条换成细弹簧不会影响实验结果。[答案] (1)3.40 (2)不能 (3)不会 类型三 创新设计实验【典例3】 (2020·安徽六安一中月考)某探究小组探究两个互成角度的力的合成规律,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。(1)用一只弹簧测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O,此时拉力F的大小可由弹簧测力计的示数读出。弹簧测力计的示数如图所示,F的大小为________N。(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个弹簧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甲中两条虚线所示的方向,由弹簧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。①用5 mm长度的线段表示1 N的力,以O点为作用点,在图乙中画出力F1、F2的图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合;甲 乙②F合的大小为________N,F合与拉力F的夹角的正切值为________。若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验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。[解析] (1)由弹簧测力计的读数规则可知,读数为4.0 N。(2)①利用平行四边形定则作图,如图所示;②由图可知F合=4.0 N,若从F合的顶点向x轴和y轴分别作垂线,顶点的横坐标对应长度为1 mm,顶点的纵坐标对应长度为20 mm,则可得出F合与拉力F的夹角的正切值为0.05。[答案] (1)4.0 (2)①F1、F2和F合如图所示 ②4.0 0.05(教师用书独具)1.在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中,用两个弹簧测力计把橡皮条的端点拉到O处,如图所示已经作出拉力F1、F2,图中方格每边长度表示1 N。(1)用直尺、三角板作出F1、F2的合力后,由所作的图可知,F1、F2的合力F大小为________N;(2)用一个弹簧测力计把橡皮条的端点拉到O处,此时拉力为F′。由图可知,F′与F的大小、方向略有偏差,如果此偏差仅由F1的大小引起,则引起偏差的原因是F1的大小比真实值偏________(选填“大”或“小”)。[解析] (1)以F1、F2为邻边,作出平行四边形,如图所示:由图可知:合力为F=1×7 N=7 N。(2)合力F′与F的大小、方向略有偏差,如果此偏差仅由F1引起,由图可知F1与F′的夹角比F1与F的大,故F1的大小比真实值偏大。[答案] 7 大2.某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,测得图中弹簧OC的劲度系数为500 N/m。如图甲所示,用弹簧OC和弹簧秤a、b做“探究求合力的方法”实验。在保持弹簧伸长1.00 cm不变的条件下,甲 乙(1)若弹簧秤a、b间夹角为90°,弹簧秤a的读数是______N(图乙中所示),则弹簧秤b的读数可能为________N。(2)若弹簧秤a、b间夹角大于90°,保持弹簧秤a与弹簧OC的夹角不变,减小弹簧秤b与弹簧OC的夹角,则弹簧秤a的读数________,弹簧秤b的读数________。(均选填“变大”“变小”或“不变”)[解析] (1)弹簧OC的弹力FOC=kx=500×0.01 N=5 N由题图乙可知,弹簧秤a的读数Fa=3.00 N所以弹簧秤b的读数可能为Fb==4.00 N。(2)由图可知,随着弹簧秤b与弹簧OC的夹角的减小,弹簧秤a的拉力变大,弹簧秤b的拉力也变大,所以弹簧秤a、b的读数变大。[答案] (1)3.00~3.02都正确 3.90~4.10都正确 (2)变大 变大3.某实验小组用一只弹簧测力计和一个量角器等器材做“探究求合力的方法”,设计了如图所示的实验装置,固定在竖直木板上的量角器的直边水平,橡皮条的一端固定于量角器的圆心O的正上方A处,另一端系绳套1和绳套2,主要实验步骤如下:Ⅰ.弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮条,使橡皮条的结点到达O点处,记下弹簧测力计的示数F;Ⅱ.弹簧测力计挂在绳套1上,手拉着绳套2,缓慢拉橡皮条,使橡皮条的结点到达O处,此时绳套1沿0°方向,绳套2沿120°方向,记下弹簧测力计的示数F1;Ⅲ.根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1′=①;Ⅳ.比较②即可初步验证;Ⅴ.只改变绳套2的方向,重复上述实验步骤。回答下列问题:(1)完成实验步骤中①________;②____________。(2)将绳套1由0°方向缓慢转动到60°方向,同时绳套2由120°方向缓慢转动到180°方向,此过程中保持橡皮条的结点在O处不动,保持绳套1和绳套2的夹角120°不变,关于绳套1的拉力大小的变化,下列结论正确的是________。(填选项前的序号)A.逐渐增大 B.先增大后减小C.逐渐减小 D.先减小后增大[解析] (1)由平行四边形定则可知,F1′=Ftan 30°=,比较测量的绳套1的读数和通过平行四边形定则算出的值,即比较F1和F1′,可以初步验证。(2)合力F=F1sin θ+F2sin(60°-θ),θ为绳1与0°线的夹角,F不变,θ增大,则F1增大。[答案] (1) F1和F1′ (2)A4.某同学在学完“力的合成”后,想在家里做实验验证力的平行四边形定则。他从学校的实验室里借来两个弹簧测力计,按如下步骤进行实验:A.在墙上贴一张白纸用来记录弹簧测力计弹力的大小和方向B.在一个弹簧测力计的下端悬挂一装满水的水杯,记下静止时弹簧测力计的读数FC.将一根大约30 cm长的细线从杯带中穿过,再将细线两端分别拴在两个弹簧测力计的挂钩上。在靠近白纸处用手对称地拉开细线,使两个弹簧测力计的示数相等,在白纸上记下细线的方向,弹簧测力计的示数如图甲所示D.在白纸上按一定标度作出两个弹簧测力计的弹力的图示,如图乙所示,根据力的平行四边形定则可求出这两个力的合力F′(1)在步骤C中,弹簧测力计的读数为________ N。(2)在步骤D中,合力F′=________ N。(3)若____________________________________,就可以验证力的平行四边形定则。[解析] (1)弹簧测力计读数时需要估读,最终的读数要以有效数字的形式给出, 根据题图甲弹簧测力计指针的位置,可读出力的大小为3.00 N。(2)根据力的大小可以用线段的长度来表示,利用刻度尺和三角板在题图乙上,由已知的两个力作出平行四边形,测量出两力之间的对角线的长度,与标度为1 N的长度进行比较,可求出F′的大小为(5.2±0.2)N。(3)若F′在竖直方向且数值与F近似相等,在实验误差允许的范围内可以验证力的平行四边形定则。[答案] (1)3.00 (2)(5.2±0.2) (3)F′在竖直方向且数值与F近似相等
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