2022屆高考物理一輪復(fù)習(xí)專題2相互作用實(shí)驗(yàn)3驗(yàn)證力的平行四邊形定則

實(shí)驗(yàn)三驗(yàn)證力的平行四邊形定則必備知識(shí)·深悟固基1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)學(xué)會(huì)使用彈簧測(cè)力計(jì)．(2)探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律．2．實(shí)驗(yàn)原理互成角度的兩個(gè)力F1、F2與另外一個(gè)力F′產(chǎn)生相同的________，看F1、F2用平行四邊形定則求出的合力F與所測(cè)合力F′在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)是否相同．效果3．實(shí)驗(yàn)器材木板、白紙、圖釘若干、________、細(xì)繩、彈簧測(cè)力計(jì)兩個(gè)、三角板、________、鉛筆．4．實(shí)驗(yàn)步驟(1)用圖釘把一張白紙釘在水平桌面上的木板上．(2)用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)分別鉤住兩個(gè)細(xì)繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長(zhǎng)，結(jié)點(diǎn)到達(dá)某一位置O.如圖甲所示．(3)用鉛筆描下結(jié)點(diǎn)O的位置和兩個(gè)細(xì)繩套的______，并記錄彈簧測(cè)力計(jì)的________，利用刻度尺和三角板根據(jù)平行四邊形定則求出合力F.刻度尺橡皮條方向讀數(shù)(4)只用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，通過(guò)細(xì)繩套把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到與前面相同的位置O，記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F′和細(xì)繩的方向，如圖乙所示．(5)比較F′與用平行四邊形定則求得的合力F，看它們?cè)趯?shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)是否相同．5．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)用鉛筆和刻度尺從結(jié)點(diǎn)O沿兩條細(xì)繩方向畫(huà)直線，按選定的標(biāo)度作出這兩只彈簧測(cè)力計(jì)的拉力F1和F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺作平行四邊形，過(guò)O點(diǎn)畫(huà)平行四邊形的對(duì)角線，此對(duì)角線即為合力F的圖示．(2)用刻度尺從O點(diǎn)按同樣的標(biāo)度沿記錄的方向作出實(shí)驗(yàn)步驟(4)中彈簧測(cè)力計(jì)的拉力F′的圖示．(3)比較F與F′是否完全重合或幾乎完全重合，從而驗(yàn)證平行四邊形定則．關(guān)鍵能力·突破要點(diǎn)命題一課標(biāo)教材原型實(shí)驗(yàn)[基礎(chǔ)考查]1．彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)方法(1)注意彈簧測(cè)力計(jì)的最小刻度為0.1N.(2)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)要符合有效數(shù)字要求，小數(shù)點(diǎn)后要有2位有效數(shù)字(除題目特殊要求外)．2．實(shí)驗(yàn)誤差分析(1)理論值不一定沿橡皮條方向，但單個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力F′一定沿橡皮條方向．(2)讀數(shù)不準(zhǔn)和作圖不準(zhǔn)都可能使F與F′不完全重合．例1

(2021屆重慶名校月考)圖甲為用等效替代法驗(yàn)證力的平行四邊形定則的實(shí)驗(yàn)裝置圖．(1)本實(shí)驗(yàn)中“等效替代”的含義是 (

)A．橡皮筋可以用細(xì)繩替代B．左側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)的作用效果可以替代右側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)的作用效果C．右側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)的作用效果可以替代左側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)的作用效果D．兩側(cè)彈簧測(cè)力計(jì)共同作用的效果可以用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的作用效果替代(2)本實(shí)驗(yàn)用的彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的單位為N，圖甲中C的示數(shù)為_(kāi)_______N.(3)如圖乙所示，是某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照一定的標(biāo)度(標(biāo)度未畫(huà)出)畫(huà)出的力的圖示．F1、F2、F、F′

中不是由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)得的力是________(填字母)．【答案】(1)D

(2)3.0

(3)F′【解析】(1)“等效替代”，即用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋的效果和用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)拉橡皮筋的效果是相同的，即要求橡皮筋兩次被拉的形變量及指向都相同，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確．(2)彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)，每1N被分成5格，則1格就等于0.2N．圖乙中指針落在3N處，所以為3.0N.(3)由于誤差的存在，通過(guò)平行四邊形定則得出的合力值與由彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)得的合力并不完全相等，通過(guò)平行四邊形定則得出的合力在對(duì)角線上，用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)量出的合力沿細(xì)繩方向，沿AO方向，故F是由彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)得的，F(xiàn)′是通過(guò)平行四邊形定則得出的合力，所以不是由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)得的力是F′.變式1

某同學(xué)做“探究求合力的方法”實(shí)驗(yàn)，所用器材有：木板、白紙、圖釘、橡皮筋、細(xì)繩套和兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示．(1)該同學(xué)按下列步驟操作：①在水平桌面上放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上；②用圖釘把橡皮筋的一端固定在木板上的A點(diǎn)，在橡皮筋的另一端系上兩條細(xì)繩，細(xì)繩的另一端系著繩套；③用兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸長(zhǎng)，橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)到達(dá)某一位置O，記下O點(diǎn)的位置及兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F1和F2；④按選好的標(biāo)度，分別作出F1和F2的圖示，并用平行四邊形定則求出合力F；⑤只用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，通過(guò)細(xì)繩套拉橡皮筋使其伸長(zhǎng)，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F′，記下F′的方向，按統(tǒng)一標(biāo)度作出這個(gè)力F′的圖示；⑥比較F′和F的大小和方向，得出結(jié)論．在上述步驟中：步驟③遺漏的重要操作是__________________．步驟⑤遺漏的重要操作是__________________________________．(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出力的圖示，如圖所示，圖上標(biāo)出了F1、F2、F、F′四個(gè)力，其中__________(填上述字母)不是由彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)得的，在F與F′兩個(gè)力中，方向一定沿AO方向的是________．(3)實(shí)驗(yàn)中用M、N兩個(gè)測(cè)力計(jì)通過(guò)細(xì)線拉橡皮筋，使其結(jié)點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)，此時(shí)α＋β＝90°，然后保持M的示數(shù)不變，而使α減小，為保持結(jié)點(diǎn)位置不變，可采用的辦法是________．A．減小N的示數(shù)，同時(shí)減小β角B．減小N的示數(shù)，同時(shí)增大β角C．增大N的示數(shù)，同時(shí)增大β角D．增大N的示數(shù)，同時(shí)減小β角【答案】(1)未記錄力F1和F2的方向未明確是否把橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)拉到位置O

(2)F

F′

(3)A【解析】(1)步驟③中遺漏未記錄力F1和F2的方向；步驟⑤中遺漏未明確是否把橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)拉到位置O.(2)力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)′是由彈簧測(cè)力計(jì)直接測(cè)量的，F(xiàn)是通過(guò)平行四邊形定則所得的F1和F2的合力，F(xiàn)1和F2的合力的實(shí)驗(yàn)值是指通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的值，即用一個(gè)彈簧拉繩套時(shí)測(cè)得的力的大小和方向，而理論值是指通過(guò)平行四邊形定則得出的值，故F′是力F1和F2合力的實(shí)驗(yàn)值，其方向一定沿AO方向．(3)要保證結(jié)點(diǎn)不動(dòng)，應(yīng)保證合力不變，則由平行四邊形定則可知，合力不變，M方向向合力方向靠攏，根據(jù)圖像可知，N的拉力減小，同時(shí)應(yīng)減小β角，A正確．變式2

(2021年河北一模)為驗(yàn)證力的平行四邊形定則，某同學(xué)準(zhǔn)備了以下器材：支架、彈簧、直尺、量角器、坐標(biāo)紙、細(xì)線、定滑輪(位置可調(diào))兩個(gè)、鉤碼若干．支架帶有游標(biāo)尺和主尺，游標(biāo)尺(帶可滑動(dòng)的指針)固定在底座上，主尺可升降，如圖1所示．實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)儀器調(diào)零．如圖1，將已測(cè)量好的勁度系數(shù)k為5.00N/m的彈簧懸掛在支架上，在彈簧掛鉤上用細(xì)線懸掛小鉤碼作為鉛垂線，調(diào)節(jié)支架豎直．調(diào)整主尺高度，使主尺與游標(biāo)尺的零刻度對(duì)齊．滑動(dòng)指針，對(duì)齊掛鉤上的O點(diǎn)，固定指針．(2)搭建的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2．鉤碼組mA＝40g，鉤碼組mB＝30g，調(diào)整定滑輪位置和支架的主尺高度，使彈簧豎直且讓掛鉤上O點(diǎn)重新對(duì)準(zhǔn)指針．實(shí)驗(yàn)中保持定滑輪、彈簧和鉛垂線共面．此時(shí)測(cè)得α＝36.9°，β＝53.1°，由圖3可讀出游標(biāo)卡尺示數(shù)為_(kāi)______cm，由此計(jì)算出彈簧拉力的增加量F＝_________N．當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭為9.8m/s2．(3)請(qǐng)將第(2)步中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用力的圖示的方法在圖框中作出，用平行四邊形定則作出合力F′.(4)依次改變兩鉤碼質(zhì)量，重復(fù)以上步驟，比較F′和F的大小和方向，得出結(jié)論．實(shí)驗(yàn)中鉛垂線上小鉤碼的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果_______(填“有”或“無(wú)”)影響．【答案】(2)9.68

0.484

(3)如解析圖(4)無(wú)(3)根據(jù)題意可知OA繩產(chǎn)生的拉力為FO

A＝mAg＝40×10－3×9.8N＝0.392N，OB繩產(chǎn)生的拉力為FO

B＝mBg＝30×10－3×9.8N＝0.294N，力的合成如圖．(4)在求解合力的過(guò)程中，求解的是彈簧彈力的變化量，所以小鉤碼的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響．命題二拓展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[能力考查]例2

(2020年中山名校質(zhì)檢)某實(shí)驗(yàn)小組用一只彈簧測(cè)力計(jì)和一個(gè)量角器等器材驗(yàn)證力的平行四邊形定則，設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，固定在豎直木板上的量角器的直邊水平，橡皮筋的一端固定于量角器的圓心O的正上方A處，另一端系繩套1和繩套2．(1)主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：①?gòu)椈蓽y(cè)力計(jì)掛在繩套1上豎直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，記下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F.②彈簧測(cè)力計(jì)掛在繩套1上，手拉著繩套2，緩慢拉橡皮筋，使橡皮筋的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)，此時(shí)繩套1沿0°方向，繩套2沿120°方向，記下繩套1彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F1．③根據(jù)力的平行四邊形定則計(jì)算此時(shí)繩套1的拉力F1′＝________.④比較F1和F1′，即可初步驗(yàn)證力的平行四邊形定則．⑤只改變繩套2的方向，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟．(2)保持繩套2方向不變，繩套1從圖示位置向下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)90°，此過(guò)程中保持橡皮筋的結(jié)點(diǎn)在O處不動(dòng)，關(guān)于繩套1的拉力大小的變化，下列結(jié)論正確的是：________.A．逐漸增大 B．先增大后減小C．逐漸減小 D．先減小后增大(2)因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)在O處不動(dòng)，所以相當(dāng)于兩力的合力不變，如圖所示，根據(jù)圖像可得繩套1的拉力大小先減小后增大，故D正確．變式3

(2021屆濰坊質(zhì)檢)某同學(xué)用一彈簧測(cè)力計(jì)和一橡皮條做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)，裝置如圖所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：①將貼有白紙的木板豎直固定，將橡皮條上端掛在木板上O點(diǎn)；②將三根細(xì)線Pa、Pb、Pc結(jié)于P點(diǎn)，a端系在橡皮條下端，c端暫時(shí)空置，b端掛一鉤碼，鉤碼靜止后，記錄鉤碼重力G的大小和方向；③以O(shè)為圓心、OP為半徑，畫(huà)一圓??；④用彈簧測(cè)力計(jì)鉤住c端，向右上方緩慢拉，調(diào)整拉力方向，使結(jié)點(diǎn)P移到圖中所示位置，記錄該位置和彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)；⑤在白紙上作出各力的圖示，驗(yàn)證平行四邊形定則是否成立．(1)第④