人教版高中物理必修第一册第3章相互作用——力4第2课时实验探究两个互成角度的力的合成规律课件

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第三章4. 第2课时　实验探究两个互成角度的力的合成规律 基础落实·必备知识全过关重难探究·能力素养全提升学以致用·随堂检测全达标目录索引 基础落实·必备知识全过关一、实验原理 根据作用效果相同确定分力与合力一个力F的作用效果与两个共点力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮条结点拉伸到某点,则　　为　　　　　　　的合力,作出F的图示,再根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F'的图示,比较F'与F在实验误差允许范围内是否　　　　　　　　　　　,即得到互成角度的两个力的合成是否遵循平行四边形定则。 二、实验器材方木板、白纸、图钉若干、细芯铅笔、橡皮条一段、细绳套两个、弹簧测力计两个、　　　　、　　　　　。 F F1和F2 大小相等、方向相同 三角板刻度尺三、实验步骤1.在方木板上用图钉固定一张白纸,如图甲所示,用图钉把橡皮条的一端固定在木板上A点,在橡皮条的另一端拴上两个细绳套。2.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将结点拉到某位置O,用铅笔描下O点的位置、细绳的　　　　,并记录两弹簧测力计的读数。 方向3.如图乙所示,按适当的比例作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,利用刻度尺和三角板,以F1、F2为邻边画出　　　　　,并画出对角线F'。 4.用一个弹簧测力计把橡皮条拉到　　 　　,记下弹簧测力计的读数和细绳的　　　　,并用同样的比例作出这个力F的图示。 5.比较F与F'的大小和方向,看它们在实验误差允许范围内是否相同,从而验证平行四边形定则。平行四边形　同一位置O 方向易错辨析(1)在探究两个互成角度的力的合成规律的实验中,合力与分力的作用效果相同,此实验中力的作用效果是指橡皮条伸长的长度相同。(　　)(2)在探究两个互成角度的力的合成规律的实验中,记录细绳的方向时,沿细绳方向在细绳下白纸上点两个相距较远的点即可。(　　)×此处力的作用效果是指把橡皮条末端拉到同一位置,不仅伸长的长度相同,拉的方向也相同。√ 细绳下白纸上点两个相距较远的点,再用尺子连成线就是细绳的方向。 (3)在探究两个互成角度的力的合成规律的实验中,每次实验时,只要记录弹簧测力计的示数就可以了。(　　)(4)在探究两个互成角度的力的合成规律的实验中,用两弹簧测力计拉橡皮条时,两弹簧测力计间的夹角应取90°。(　　)×每次实验时,要记录弹簧测力计的示数和细绳的方向。 ×两弹簧测力计间的夹角可以任意选取,只要不太大也不太小就可以。 重难探究·能力素养全提升探究点一　实验原理与操作1.弹簧测力计的正确使用(1)测量前应检查其指针与零点是否重合。(2)使用时,弹簧测力计必须保持与木板平行,且拉力应沿轴线方向,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,施加的拉力不要超过其量程。(3)读数时应正视、平视刻度,并进行正确地估读。2.规范操作(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橡皮条弹性限度的前提下,测力计示数、橡皮条被拉伸的长度应适当大一些。(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,应在细绳套两端各画个投影点,去掉细绳套后,连直线确定力的方向。【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:(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,沿每个细绳套的方向用铅笔分别描出两个点,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,__________________________________________________  　 ; (4)按照力的图示要求,作出拉力F1、F2、F3;(5)根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F;(6)比较　　　　　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。 沿此时细绳套的方向用铅笔描出两个点,用刻度尺把这两点连成直线 F与F3 解析 (3)用铅笔描出绳上的两个点,用刻度尺把相应点连成直线(画拉力的方向),目的是画出同两分力产生相同效果的这个力的方向。(6)F与F3作比较,即比较用平行四边形作出的合力和产生相同效果的实际的力是否相同,可验证力的平行四边形定则的正确性。对点演练1.(2023山东济宁高一期末)如图为探究求合力的方法的实验,三个细绳套L1、L2、L3共系于一个结点,另一端分别系于轻质弹簧测力计A、B和重物M上,A挂于固定点P。手持B拉动细绳,使结点静止于O点。(1)某次实验中A的指针位置如图所示,其读数为　 N。 (2)实验时要在贴于竖直木板上的白纸上,记录O点位置,　　　　　 　 　　　　,L1、L2、L3的方向及M的重力。 (3)下列实验要求中必要的是　　　　(填选项的字母代号)。 A.弹簧测力计需要在实验前进行校零B.细绳套方向应与木板平面平行C.弹簧测力计B始终保持水平2.00 弹簧测力计A、B的示数 AB 解析 (1)图中弹簧测力计的分度值为0.1 N,读数为2.00 N。(2)结点O在三个力的作用下处于平衡状态,需要测量各力的大小和方向,所以需要记录O点位置,弹簧测力计A、B的示数,L1、L2、L3的方向及M的重力。(3)为保证弹簧测力计测量准确,需要在实验前进行校零,A正确;为保证力的准确,减小实验误差,细绳套方向应与木板平面平行,B正确;实验对各力的夹角没有特别要求,所以弹簧测力计B不需要始终保持水平,C错误。探究点二　实验数据处理1.实验数据分析的方法(1)理论值:在白纸上按比例从O点开始作出两个弹簧测力计同时拉橡皮条时弹簧测力计的拉力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。(2)实际值:按同样的比例用刻度尺从O点起作出一个弹簧测力计拉橡皮条时拉力F'的图示。(3)相比较:比较F'与F在实验误差允许的范围内是否相等。注意: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。2.误差分析(1)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,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。【例2】 在探究两个互成角度的力的合成规律的实验中。(1)下列操作有利于减小实验误差的是　　　。 A.两个分力的夹角尽量大于150°B.拉橡皮条时,拉力越大越好C.拉橡皮条时,橡皮条、细绳和弹簧测力计应贴近并平行于木板D.确定拉力方向时,在细绳正下方描出的两个点要适当远些CD (2)某次实验时两个分力大小分别为2.00 N和1.50 N,夹角小于90°,若实验操作无误,其合力的读数为如图所示中的一个,则正确的读数为　 N。  (3)实验中得到如下数据,请根据选择的标度在方框中作图完成实验数据的处理。3.00 见解析图 解析 (1)两个分力的夹角尽量大小合适,不能太大,也不要太小,故A错误;拉橡皮条时,拉力要合适,太大容易超过橡皮条的弹性限度,故B错误;为了减小实验误差,拉橡皮条时,橡皮条、细绳和弹簧测力计应贴近并平行于木板,故C正确;确定拉力方向时,在细绳正下方描出的两个点要适当远些,这样确定的方向误差更小,故D正确。(2)在探究两个互成角度的力的合成规律的实验中,两个分力之间的夹角既不能太大,也不能太小,如果某次实验时两个分力大小分别为2.00 N和1.50 N,夹角为直角时合力的大小 =2.50 N,由于夹角为锐角,所以这两个力的合力应大于2.50 N,有可能是3.00 N。(3)作图如下: 对点演练2.(2023重庆南岸高一期末)在验证力的平行四边形定则的实验中,实验室提供了两个规格完全一样的弹簧测力计(量程为10 N)、两根不可伸长的细绳、一根橡皮条等仪器,实验操作如图所示。(1)下列说法正确的是　　　　。 A.改用一个弹簧测力计拉时,自由端需拉到O1点B.应使橡皮条与两绳夹角的平分线在同一直线上C.实验前,需测出橡皮条原长D.保证系在橡皮条末端的两根细绳等长E.同时改变两个弹簧测力计的拉力,结点可能保持在位置O1F.实验时,保持其中一个弹簧测力计位置不变,改变另一弹簧测力计位置,以得到多组实验数据G.实验中若发现两弹簧测力计所测拉力的合力与用一个弹簧测力计测的拉力未完全重合,说明实验存在问题,需重新实验AE (2)改变F1、F2,进行第二次实验,记下结点位置O2,位置O2　　　　(选填“必须”或“不必”)与位置O1相同。 (3)实验中,用两个弹簧测力计同时拉,两绳夹角为60°,两个弹簧测力计示数均为6 N,这样操作　　　　(选填“合理”或“不合理”),理由是　 。 不必 不合理 只用一个弹簧测力计拉时会超过其量程 解析 (1)实验要保证力的作用效果相同,因此改用一个弹簧测力计拉时,自由端仍需拉到O1点,选项A正确;用两细绳拉橡皮条时,只要确保拉到同一位置即可,不一定要使橡皮条与两绳夹角的平分线在同一直线上,选项B错误;实验中只要保证两次橡皮条拉到同一位置即可,不需要测出橡皮条原长,选项C错误;系在橡皮条上的两条细绳不一定等长,但要适量长一些,以便于记录方向,选项D错误;同时改变两个弹簧测力计的拉力,作用效果可能相同,则结点可能保持在位置O1,选项E正确;实验中只要保证两次橡皮条拉到同一位置即可,不需要保持其中一个弹簧测力计位置不变,选项F错误;由于实验中总存在误差,两弹簧测力计所测拉力的合力与用一个弹簧测力计测的拉力不一定完全重合,只要在误差允许范围内,就可以说明力的平行四边形定则成立,选项G错误。(2)改变F1、F2,进行第二次实验,记下结点位置O2,因为是两次不同的实验,所以位置O2不必与位置O1相同。(3)这样操作不合理。实验中,用两个弹簧测力计同时拉时,两绳夹角约为60°,两个弹簧测力计示数均为6 N,根据力的平行四边形定则可知合力F合=2×6× N=6 N>10 N,因为弹簧测力计的量程为10 N,所以只用一个弹簧测力计拉时会超过其量程。学以致用·随堂检测全达标1231.(实验注意事项)某同学利用如图所示的装置验证力的平行四边形定则。图甲中GE是橡皮条,轻质小圆环挂在橡皮条的下端;图乙中用两个互成角度的拉力F1、F2将小圆环拉至O点;图丙中用一个拉力F将小圆环仍拉至O点。下列说法正确的是(　　)A.进行图乙中的操作时,拉力F1、F2的方向一定相互垂直B.在图乙、丙中,橡皮条必须沿竖直方向拉伸C.在图乙、丙中,必须将小圆环拉至相同的位置D.图乙操作完成后,可更换橡皮条,继续完成图丙所示的实验步骤C解析 进行图乙中的操作时,只需两拉力F1、F2的大小、方向明确,不一定相互垂直,选项A错误;图乙、丙中的实验产生的效果相同,就是将小圆环拉至相同的位置,图乙操作完成后,若更换橡皮条,则不能验证力的平行四边形定则,选项C正确,B、D错误。1231232.(数据处理)某同学用如图所示的实验装置来探究力的平行四边形定则。如图甲所示,先用两根弹簧测力计一起拉橡皮筋,使橡皮筋伸长到O点;再改用一根弹簧测力计拉橡皮筋,也使橡皮筋伸长到O点。实验时,分别读出弹簧测力计的示数,并在贴于木板的白纸上记录O点的位置及拉线的方向。123(1)本次实验需要用到带细绳套的橡皮筋,图乙中最合适的是　　　　; (2)某次弹簧测力计的指针位置如图丙所示,弹簧测力计示数为　　　 　 N; (3)某同学在坐标纸上画图求合力,如图丁所示,已知两个力F1和F2,坐标纸中小格的边长表示0.1 N,用作图法求出两个力的合力,并在图中标注合力大小。③ 3.97(3.95~3.99均可) 见解析 123解析 (1)应选用适当长一些的细绳套,这样在描绘力的方向的时候更准确,故选③。(2)由于最小刻度为0.1 N,因此弹簧测力计的读数为3.97 N。(3)根据力的平行四边形定则,以F1,F2为邻边作平行四边形,对角线即为合力的大小,如图所示。1233.(实验原理与操作)(2023上海虹口高一期末)用如图所示装置探究求合力的方法的实验中:(1)需要用到带细绳套的橡皮筋,图①中最合适的是　　　　; (2)某次用弹簧测力计拉橡皮筋时弹簧测力计的指针位置如图②所示,弹簧测力计示数为　　　　 N; C 2.65123(3)若选用量程为5 N的弹簧测力计做该实验。下图中F1=F2=3.0 N,甲同学F1与F2方向的夹角约为60°,乙同学F1与F2方向的夹角约为90°,丙同学F1与F2方向的夹角约为120°,其中操作不合适的是　　　　(选填“甲”“乙”或“丙”)。 甲123解析 (1)为减小实验误差,方便实验操作,细绳套应适当长些,故选C。(2)由图示弹簧测力计可知,其分度值为0.1 N,示数为2.65 N。(3)对于甲同学,合力F甲=2×3cos 30° N=3 N>5 N;对于乙同学,合力F乙= N=4.2 N;对于丙同学,合力F丙=2×3cos 60°=3 N;可见操作不合适的是甲同学,因为他的两个力的合力超过了弹簧测力计的最大值,再用一个弹簧测力计拉橡皮筋时拉不到O点。