广西专版2023_2024学年新教材高中物理第3章相互作用__力4力的合成和分解课时2实验探究两个互成角度的力的合成规律课件新人教版必修第一册

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4　力的合成和分解课时2　实验:探究两个互成角度的力的合成规律实验探究•方案梳理实验热点•探究突破随 堂 训 练实验探究•方案梳理实验目的1.验证互成角度的两个共点力合成的平行四边形定则。2.进一步练习用作图法求两个共点力的合力。实验原理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。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、小圆环。实验步骤1.装置安装。在方木板上用图钉固定一张白纸,如图甲,橡皮条的一端连接轻质小圆环,在小圆环系上两个细绳套,橡皮条另一端固定,长度为GE。2.两个弹簧测力计的使用。如图乙,用手通过两个弹簧测力计互成角度地共同拉动小圆环,使小圆环处于O点,橡皮条伸长的长度为OE。用铅笔描下O点位置、细绳套的方向,并记录两弹簧测力计的读数。3.一个弹簧测力计的使用。如图丙,改用一个弹簧测力计单独拉住小圆环,仍使它处于O点,记下弹簧测力计的读数和细绳套的方向。4.作图对比。(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(如图所示)。(2)测量值: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重合。5.重复。改变两个分力F1和F2的大小和方向,再重复实验两次,比较每次的F与F'在实验误差允许的范围内是否相等。误差分析1.使用中,弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间有摩擦力存在会造成误差。2.两次测量拉力时,橡皮条的结点没有完全拉到同一点会造成偶然误差。3.两个分力的夹角太小或太大,F1、F2数值太小,应用平行四边形定则作图时,会造成偶然误差。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量程。(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,估读到分度值的下一位。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,应在细绳套靠近弹簧测力计的一端画个投影点,去掉细绳套后,通过O点和投影点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。实验热点•探究突破热点1 实验原理与操作典例剖析【例1】 某同学做验证力的平行四边形定则的实验如图甲所示,其中固定橡皮条的图钉在A点,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。(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,主要的步骤: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,结点到达某一位置O,记录下O点的位置,读出两个弹簧测力计的示数;D.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;E.按选好的标度,用铅笔和刻度尺作出用两个弹簧测力计拉橡皮条时的拉力F1和F2的图示,并用平行四边形定则求出合力F;F.按同一标度作出只用一个弹簧测力计拉橡皮条时拉力F'的图示;G.比较F'和F的大小和方向,看它们是否相同,得出结论。①上述步骤中,有重要遗漏的步骤的序号是　　　　和　　　　; ②遗漏的内容分别是　　　　　和　　　　　　。答案:(1)F'　(2)B　(3)①C　D　②C中应加上“记下两条细绳的方向”　D中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置O”解析:(1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向;而两个弹簧测力计拉橡皮条至O点,根据平行四边形定则作出两弹簧测力计拉力的合力,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,故选项B正确。(3)①根据验证力的平行四边形定则实验的操作规程可知,有重要遗漏的步骤的序号是C、D。②在C中未记下两条细绳的方向,D中未说明是否把橡皮条的结点拉到同一位置O。特别提醒操作不忘“三”“二”“一”用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置),用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)等。学以致用1.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的A点,另一端系上两根细绳,细绳的另一端都有绳套。实验中需用两个弹簧测力计分别钩住绳套,并互成角度地拉橡皮条至某一确定的O点,如图所示。(1)某同学认为在此过程中必须注意以下几点:A.两弹簧测力计的拉力必须等大B.同一次实验过程中,O点的位置不允许变动C.为了减小误差,两弹簧测力计的读数必须接近量程其中正确的是　　　　(填选项前的字母)。 (2)上述实验中合力与两个分力具有相同的效果,是指下列说法中的　　　　。 A.弹簧测力计的弹簧被拉长B.固定橡皮条的图钉受拉力产生形变C.绳套受拉力产生形变D.使橡皮条在同一方向上伸长同一长度答案:(1)B　(2)D解析:(1)两弹簧测力计的弹力大小要适中,但不一定大小相同,也不一定必须接近弹簧测力计的量程,选项A、C错误;只有将绳套与橡皮条的结点每次都拉至O点,橡皮条才沿同一方向产生相同的形变,弹簧测力计的拉力才产生相同的效果,选项B正确。(2)该实验中合力与两个分力具有相同的效果,是指合力与两个分力分别拉橡皮条时,使橡皮条在同一方向上伸长同一长度,选项D正确。热点2 实验数据处理典例剖析【例2】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,分度值为1 mm)的纸贴在水平桌面上,如图甲所示。将橡皮条的一端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,橡皮条处于原长,P端拴有绳套。(1)用一只弹簧测力计将橡皮条的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读出。弹簧测力计的示数如图乙所示,F的大小为　　　　 N。 (2)撤去(1)中的拉力,橡皮条P端回到A点;现使用两个弹簧测力计同时拉橡皮条,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为作用点,在图甲中画出力F1、F2的图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合;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)①F1、F2和F合如图所示　②3.8 0.05学以致用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、分度值为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,如图所示。这时弹簧测力计的读数可从图中读出。(1)由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为　　　　 N和　　　　 N。 (2)在虚线方格纸上画出这两个力及它们的合力,要求大小关系正确。答案:(1)4.00　2.50(2)见解析图解析:(1)弹簧测力计的读数分别是4.00 N、2.50 N。(2)根据测量结果,每小格代表0.5 N,将保证力的图示较准确,若每小格代表1 N,则2.50 N的力的表示容易造成误差,在确定合力大小时,容易造成较大误差。力的图示应有标度,有箭头。如图所示。热点3 实验探究拓展拓展创新 典例剖析【例3】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,g取9.8 m/s2。(1)关于该实验,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B.每次实验都必须保证结点位于O点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:　　　。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)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位于O点,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。学以致用3.某小组为了验证力的平行四边形定则,设计了如图甲所示的实验:在一个半圆形刻度盘上安装两个可以沿盘边缘移动的拉力传感器A、B,两传感器的挂钩分别系着轻绳,轻绳的另一端系在一起,形成结点O,并使结点O位于半圆形刻度盘的圆心。在O点挂上重G=2.00 N的钩码,记录两传感器A、B的示数F1、F2及轻绳与竖直方向的夹角θ1、θ2,用力的图示法即可验证力的平行四边形定则。 (1)当F1=1.00 N、F2=1.50 N,θ1=45°、θ2=30°时,请在图乙中用力的图示法作图,画出两绳拉力的合力F,并求出合力F=　　　　 N(结果保留3位有效数字)。 (2)该组同学在实验中,将传感器A固定在某位置后,再将传感器B从竖直位置的P点缓慢顺时针旋转,得到了一系列B传感器的示数F2和对应的角度θ2,作出了如图丙所示的F2-θ2图像,由图丙可知A传感器所处位置的角度θ1=　　　　。 解析:(1)先画出力的标度,根据题中所给的数据,利用平行四边形定则画出力的图示并求合力F=2.01 N。随 堂 训 练1.做探究求合力的方法的实验时,步骤如下:(1)在水平放置的木板上固定一张白纸。(2)把橡皮条的一端固定在木板的A点,另一端连接两根绳套。(3)通过绳套用两个互成角度的弹簧测力计来拉橡皮条使橡皮条伸长到某一点O,并记录O点的位置。(4)此时需记录下　　　　、　　　　和两个弹簧测力计的读数F1、F2。 (5)改用一个弹簧测力计把橡皮条拉长到　　　　后,再记录下　　　　和弹簧测力计的读数F'。 (6)用铅笔和刻度尺从力的作用点O沿两绳套的方向画直线。选好标度,按F1、F2的大小作两个力的图示。用三角板作平行四边形,求得合力F。(7)用同样的标度作出力F'的图示,比较一下,力F'与用平行四边形定则求得的合力F的大小和方向是否相同。答案:(4)F1的方向　F2的方向　(5)O点的位置　F'的方向解析:本实验要记录力的大小和方向,大小是通过弹簧测力计来读出,方向是通过细绳套来确定;为保证分力的作用效果和合力的作用效果相同,本实验要求每次都把橡皮条拉到同一点O。2.在验证力的平行四边形定则的实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,先用一个弹簧测力计拉橡皮条的另一端到某一点,并记下该点的位置O;再将橡皮条的另一端系两根细绳,细绳的另一端都有绳套,用两个弹簧测力计分别钩住绳套,并互成角度地拉橡皮条。某同学认为在此过程中必须注意以下几项:A.两根细绳必须等长B.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上C.在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行D.在用两个弹簧测力计同时拉细绳时要注意使两个弹簧测力计的读数相等E.在用两个弹簧测力计同时拉细绳时必须将橡皮条的另一端拉到用一个弹簧测力计拉时记下的位置O其中正确的是　　　　。(填入相应的字母) 答案:CE解析:细绳的作用是能显示出力的方向,所以不必等长,故选项A错误;两细绳拉橡皮条时,只要确保拉到同一点即可,橡皮条不一定在两细绳夹角的平分线上,故选项B错误,E正确;在拉弹簧测力计时必须要求弹簧测力计与木板平面平行,否则拉力的方向不与纸面平行,故选项C正确;为了更加准确地记录力的方向,拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些,两个弹簧测力计的读数不一定相等,选项D错误。3.某同学利用如图所示的装置来验证力的平行四边形定则:在竖直木板上铺有白纸,在A、B处分别固定一个光滑的滑轮,将绳子打一个结点O,每个钩码的重力相等,当系统达到平衡时,根据钩码个数读出三根绳子的拉力FOA、FOB和FOC,回答下列问题:(1)改变钩码个数,能完成实验的是(　　)A.钩码的个数N1=N2=2,N3=4 B.钩码的个数N1=N3=3,N2=4C.钩码的个数N1=N2=N3=4 D.钩码的个数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,并记录钩码的个数和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”)。 答案:(1)BCD (2)A (3)甲解析:(1)设FOA、FOB、FOC分别表示三个力,由于三共点力平衡,所以三个力的大小可构成一个三角形。2、2、4不可以构成三角形,选项A错误,B、C、D都正确。(2)为验证平行四边形定则,必须作受力图,所以先明确受力点,即标记结点O的位置,其次要作出力的方向并读出力的大小,最后作出力的图示,因此要做好记录,从力的三要素角度出发,要记录钩码的个数和记录OA、OB、OC三段绳子的方向,选项A正确,B、C、D错误。(3)以O点为研究对象,F3为实际作用效果,在OC这条线上,由于误差的存在,F1、F2的理论合力值与实际值有一定偏差,故甲图符合实际。