鲁科版 (2019)必修 第一册第1节 科学探究:力的合成图片课件ppt

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。

一、实验原理和方法

一个力F′的作用效果与两个力F1、F2的作用效果都可以使相同的一端固定的橡皮条伸长到同一点O，则F′必与F1、F2的合力等效，以F1、F2为邻边作平行四边形求出合力F，比较F′与F的大小和方向，以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(两只)、三角板、刻度尺、图钉(几个)、细芯铅笔、橡皮条、细绳(两根)等。

三、实验步骤及数据处理

1．仪器的安装：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，橡皮条的另一端拴上两个细绳套，如图所示。

2．操作与记录

(1)用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O，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。

(2)用一只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和细绳套的方向。

3．作图与分析

(1)用铅笔和刻度尺从O点沿两条细绳套方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的读数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只弹簧测力计时的拉力F′的图示，如图所示。

(3)比较一下力F′与用平行四边形定则求出的合力F，在误差允许的范围内，大小和方向是否相同。

(4)改变两个力F1与F2的大小和夹角，再重复上述实验两次。

四、误差分析

五、注意事项

1．弹簧测力计的选取方法：将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉，若两只弹簧在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另选，直至相同为止。

2．保证分力与合力作用效果相同的方法：在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。

3．橡皮条老化的检查方法：用一个弹簧测力计拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条拉到相同的长度看弹簧测力计读数有无变化。

4．弹簧测力计夹角范围：用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°到120°之间为宜。

5．拉力的选取原则：在不超出弹簧测力计的量程和橡皮条形变限度的条件下，使拉力适当大些。

6．画力的图示的注意事项：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】　(2020·黑龙江铁人中学高一期中)“探究力的平行四边形定则”的实验如图甲所示，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，如图乙所示是在白纸上根据实验结果画出的图。

甲　　　　　　　　乙

(1)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

(2)图乙中的________(填“F”或“F′”)是力F1和F2合力的测量值。

(3)同学们在操作过程中有如下议论，其中对减小实验误差有益的说法是________。

A．两根细绳必须等长

B．橡皮条应与两绳夹角的角平分线在同一直线上

C．为了读数方便，可以使弹簧测力计与木板平面成一定倾角

D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些

(4)在实验中，如果将细绳也换成橡皮条，那么实验结果是否会发生变化？答：________(填“会”或“不会”)

[解析]　(1)本实验中一个弹簧测力计单独作用的效果与两个弹簧测力计共同作用的效果相同，采用的科学方法是等效替代法，所以B正确。

(2)F是通过作图得到的两个弹簧测力计拉力的合力，是两个拉力的合力的理论值，F′是用一个弹簧测力计拉橡皮条并使其伸长到同一点得到的，而一个弹簧测力计单独作用时的拉力与两个弹簧测力计共同作用的拉力效果相同，故F′是力F1和F2合力测量值。

(3)两根细绳适当长些，标记拉力方向时就可以选离得稍微远些的两个点，这样有利于减小标记方向的误差，而两根细绳不需要等长，故A错误，D正确；两根细绳拉橡皮条时，只要确保拉到同一点即可，不一定让橡皮条在两细绳的夹角的角平分线上，故B错误；弹簧测力计与木板平面成一定倾角会增大弹簧与弹簧测力计外壳之间的摩擦力，从而增大实验误差，故C错误。

(4)如果将细绳也换成橡皮条，只要将结点拉到相同的位置，实验结果不会发生变化。

[答案]　(1)B　(2)F′　(3)D　(4)不会

类型二　数据处理和误差分析

【典例2】　将橡皮筋的一端固定在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。当橡皮筋的活动端拉到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)在图中的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。

(3)下面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′有误差的原因可能有哪些？

a　　　　　b

[解析]　(1)两弹簧测力计的读数分别为4.00 N和2.50 N。(2)作出合力如图所示。

(3)F′是用一个弹簧测力计拉橡皮筋所得到的，其方向一定在橡皮筋所在直线上，所以b图符合实际。产生误差的原因主要是弹簧测力计读数偏差，确定分力方向不够准确等。

[答案]　(1)4.00　2.50　(2)见解析图　(3)b图　误差原因见解析

1为使合力的作用效果与两个分力共同作用的效果相同，每次实验必须保证结点位置保持不变。

2利用平行四边形定则求得的合力与实际的合力往往不相同，但实际的合力一定沿橡皮筋伸长的方向。

3在同一次实验中，选定的比例要相同，严格按力的图示和几何作图法的要求作出平行四边形，求出合力。

类型三　创新实验设计

【典例3】　某同学利用如图甲所示的装置验证力的平行四边形定则。在竖直放置、贴有白纸的木板上固定有两个轻质小滑轮，细线AB和OC连结于O点，细线AB绕过两滑轮，D、E是细线与光滑滑轮槽的两个切点，在细线末端A、B、C三处分别挂有不同数量的相同钩码，设所挂钩码个数分别用N1、N2、N3表示，挂上适当数量的钩码，当系统平衡时进行相关记录，改变所挂钩码的数量，重复进行多次实验。

甲　　　　　　　　乙

(1)下列关于本实验操作的描述，正确的有________。

A．需要利用天平测出钩码的质量

B．∠EOD不宜过大

C．两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上

D．每次实验都应使细线的结点O处于同一位置

(2)每次实验结束后，需要记录的项目有N1、N2、N3的数值和________。

(3)该同学利用某次实验结果在白纸上绘制了如图乙所示的实验结果处理图，则根据你对本实验的理解，要验证力的平行四边形定则，还需要对该图做出如下完善：______________________________________________________

_______________________________________________________________。

[解析]　(1)用钩码的个数可以代表拉力的大小，因此不需要测量钩码的质量，故A错误；∠EOD若太大，导致其合力较小，增大了误差，故∠EOD不宜过大，故B正确；只要便于记录通过滑轮的力的方向即可，两滑轮的轴心不必处于同一条水平线上，故C正确；该题应用了物体的平衡来探究力的平行四边形定则，不需要每次实验都使细线的结点O处于同一位置，故D错误。

(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，是从力的三要素角度出发，要记录钩码的个数和记录OC、OD和OE三段细线的方向。

(3)本实验是要验证力的平行四边形定则，故应将由平行四边形定则得出的合力，与真实的合力进行比较而去判断平行四边形定则得出的结果是否正确，由图乙可知，要验证平行四边形定则，还需要过O点作出与FOC等大反向的力F′。

[答案]　(1)B、C　(2)OC、OD、OE三段细线的方向　(3)过O点作出与FOC等大反向的力F′

1．某同学做“探究求合力的方法”实验时，主要步骤有：

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．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；

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________；

(2)遗漏的内容分别是__________和_____________________。

[解析]　(1)根据“探究求合力的方法”实验的操作规程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E。

(2)在C中未记下两条细绳的方向，E中未说明是否把橡皮条的结点拉到同一位置O。

[答案]　(1)C　E　(2)C中应加上“记下两条细绳的方向”　E中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置O”

2．如图甲为“探究求合力的方法”的实验装置。

甲　　　　　　　　　乙

(1)下列说法中正确的是________。

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的位置可以变化

B．弹簧测力计拉细线时，拉力方向必须竖直向下

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)弹簧测力计的指针如图乙所示，由图可知拉力的大小为________N。

[解析]　(1)在测量同一组数据的过程中，橡皮条结点O的位置不能变化，如果变化，即受力变化，所以A选项错误；由于弹簧测力计是通过定滑轮拉结点O，定滑轮只能改变力的方向不能改变力的大小，所以弹簧测力计拉线的方向不一定要沿竖直方向，B选项错误；弹簧测力计的使用，不能超过其量程，C选项正确；两个拉力的方向合适即可，不宜太大，也不宜太小，但不一定为90°，所以D选项错误。

(2)考查弹簧测力计的读数，应注意估读。

[答案]　(1)C　(2)4.00

3．(2020·四川成都外国语学校高一期中)某同学用如图甲所示的装置探究求合力的方法。将一木板(图中未画出)竖直放置，与铁架台和轻弹簧所在平面平行。其部分实验操作如下，请完成下列相关内容：

甲　　　　　乙　　　　　　丙

(1)如图甲，在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O；

(2)卸下钩码然后将两细绳套系在弹簧下端，用两弹簧测力计将弹簧末端拉到同一位置O，记录细绳套AO、BO的________及两弹簧测力计相应的示数。图乙中B弹簧测力计的示数为________N；

(3)该同学在坐标纸上画出两弹簧测力计拉力FA、FB的大小和方向如图丙所示，请在图丙中作出FA、FB的合力F′；

(4)已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力F如图丙所示，观察比较F和F′，得出结论：_________________________________。

[解析]　(2)根据验证平行四边形定则的实验原理，要记录细绳套AO、BO的方向和拉力大小，拉力大小由弹簧测力计读出，分度值为0.1 N，需要估读一位，B弹簧测力计的示数为11.40 N。

(3)如图所示。

(4)由题可知，F对轻弹簧的作用效果与两弹簧测力计共同的作用效果相同，且由题图丙可知，在误差允许的范围内，以两弹簧测力计的拉力为邻边作出的平行四边形的对角线可认为与F重合，得出的结论：在误差允许的范围内，F和F′相等。

[答案]　(2)方向　11.40　(3)见解析　(4)在误差允许的范围内，F和F′相等

4．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。

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

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可能原因_______________________________________________

_____________________________________________________。

[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。

[答案]　(1)A、C　(2)见解析