鲁科版高中物理必修第一册第4章力与平衡4.1科学探究：力的合成教学课件（共54张PPT）

(共54张PPT)
第1课时　力的合成
第4章　力与平衡
一、共点力的合成
1．共点力：如果几个力同时作用在物体上的_________或者它们的作用线相交于_________，我们就把这几个力称为共点力。
同一点
同一点
F
F
G
G
G
光滑碗上的均匀棍受力
G
二、合力与分力
等效
替代
如果几个力共同作用产生的效果可以用一个力来代替，那么这个力叫做那几个力的合力。那几个力就叫做这个力的分力。
F1
F2
F
求几个力的合力，叫做力的合成
1．合力和分力的“三性”
注意：一个物体不可能同时受合力又受分力
三、力的合成
F2
F1
F=F1 + F2
F2
F1
F=F1 - F2
二力同向
二力反向
1、同一直线上的二力的合成
2、互成角度共点力的合成
F1
F2
F
F=F1 ± F2
互成角度的两个分力与合力之间不是简单的代数加减关系
猜想：
F
F1
F2
实验：探究两个互成角度的力的合成规律
我们已经学习了许多物理量,其中体积、质量、时间、长度的运算所遵循的是代数的加减法则，为什么力的合成要遵循平行四边形定则呢 这种运算法则是否正确呢
猜想与假设
有同学提出以下猜想：
1.合力的大小只在分力夹角为锐角时遵循平行四边形法则。
2.夹角为直角时，用勾股定理计算，不遵循平行四边形法则。
同学们，你是怎样认为的呢？说说你的猜想。
通过实验，了解力的合成与分解 ，知道矢量和标量。
1.尝试提出可探究的物理问题。（物理观念）
2.通过他人的帮助，可以制定科学探究方案，有等效替代的意识。可以使用实验器材获得数据，并形成初步的实验结论。（科学探究）
3.可以根据实验数据形成结论，尝试分析导致实验误差的原因。（科学探究）
4.初步撰写一篇实验报告，并与他人交流探究过程和结果，注意提升科学推理和科学论证能力。（科学探究）
先用弹簧测力计测出分力F1、F2 及它们的合力F′,再根据平行四边形定则作出分力F1、F2的合力F,比较F′和F的大小和方向。当它们在实验误差允许的范围内相等时，则说明互成角度的两个力合成时遵循平行四边形定则。
【实验原理】
等效替换的思想
方木板一个、白纸一张、弹簧测力计两只、橡皮筋一根、细绳套两个、三角板、刻度尺、图钉、铅笔。
【实验仪器】
①把方木板平放在桌面上，用图钉把白纸钉在木板上。
②用图钉把橡皮筋的一端固定在Ａ点，另一端拴上两个细绳套。
③用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋的结点伸长到某一位置Ｏ，并用铅笔描下结点Ｏ的位置、两细绳套的方向，并记录下弹簧测力计的示数F1、F2。
④只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮筋的结点拉到同样的位置Ｏ点，用铅笔描下细绳的方向，记录下弹簧测力计的示数F′。
【实验步骤】
⑤按选定的标度作出两只弹簧测力计的拉力F1、F2的图示，并作出F1、F2的合力F的图示。按选定的标度作出F′的图示。
⑥比较两个力F1、F2的合力F和F′的大小和方向，看在实验误差允许的范围内，两者是否相等。
⑦改变F1、F2的大小和方向，再重复实验两次。
1.用两个弹簧测力计拉细绳套使橡皮筋伸长，绳的结点到达某点O时：
结点O的位置
两弹簧测力计的示数F1、F2
两弹簧测力计拉力的方向
2.用一个测力计重新将结点拉到O点时：
弹簧测力计的拉力大小F及方向。
记录
记录
【主要测量】
①弹簧测力计使用前要校零，在竖直位置已校正好零点的弹簧测力计，到水平位置使用时，仍然要重新调零。
②要选用规格、性能完全相同的两个弹簧测力计。（将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，若两只弹簧测力计在对拉过程中，读数相同，则可选用；若读数不同应矫正弹簧测力计或另换，直至相同为止）。
③本实验中，用弹簧测力计测量拉力时，要使三个拉力F1、F2、F和橡皮筋均在平行于纸面的平面内。
【注意事项】
④同一次实验中，橡皮筋结点Ｏ位置一定要相同。
⑤在不超出弹簧测力计量程的条件下，应该尽可能使弹簧测力计的拉力大一些。
⑥用作图法作分力F1、F2的合力F时要准确，图要尽可能画得大些，以使测量值的最后一位估读数字在图上能准确表示出来。
1．弹簧测力计本身的误差。
2．读数误差和作图误差。
3．两分力F1、F2间的夹角θ越大，用平行四边形定则作图得出的合力F的误差也越大。
【误差分析】
减小误差的方法:
a．弹簧测力计使用前要校准零点。
b．方木板应水平放置。
c．弹簧伸长方向和所测拉力方向应一致,并与木板平行。
d．两个分力和合力都应尽可能大些，读数时注意弹簧测力计的量程及最小刻度。
e．拉橡皮筋的细线要长些,标记两条细线方向的两点要尽可能远些。
f．两个分力间的夹角不宜过大或过小,一般取60°～120°为宜。
g.在画力的合成图时,要恰当选定标度。
例1.某同学做“验证力的平行四边形定则”实验时，主要步骤是：
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．用图钉把橡皮筋的一端固定在板上的A点，在橡皮筋的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端系着绳套。
C．用两只弹簧测力计分别勾住绳套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸长，结点到达某一位置O.记录下O点的位置，读出两只弹簧测力计的示数。
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，通过细绳套拉橡皮筋使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记下细绳套的方向，按同一标度作出这个力F′的图示。
题型一 对实验方法和实验步骤的考查
【典例精析】
F．比较F′和F的大小和方向，看它们在误差允许范围内是否相同，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__________。
【思路点拨】考查学生对实验原理的理解，对实验过程、实验步骤的掌握情况。
【解析】据验证力的平行四边形定则的操作过程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E。在C中未记下两条细绳的方向。E中未说明是否把橡皮筋的结点拉到了同一位置O。
【答案】(1)C 　E
(2)记下两条绳的方向　 把橡皮筋的结点拉到同一位置O
【方法技巧】这类题的解答关键是理解实验原理，复习时要引起重视，然后合理设计实验步骤完成实验。
题型二 对实验原理、实验误差的分析
例2.在做“验证力的平行四边形定则”实验中，若由于F1的误差使F1与F2的合力F方向略向左偏，如图所示，但F大于等于F′，引起这一结果的原因可能是F1的大小比真实值偏_______，F1的方向使它与F2的夹角比真实
值偏__________。
【解析】作平行四边形合成图如图，F1的真实值为F10 。合力的真实值为F′，F1为测量值，合力的测量值为F，由图可知，F1的大小比真实值偏大，F1的方向使它与F2的方向夹角比真实值偏大，大于α0。
【答案】大　大
【方法技巧】作图法是物理学的重要研究方法之一，也是分析问题的一种方法。在学习过程中要有意识地进行训练。认真进行误差分析，找出误差产生的原因，才能进一步改进实验方法，提高实验的精确度，得到更合理的结论。
题型三 实验数据的处理
例3.某同学在做“验证力的平行四边形定则”实验时，利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置O点以及两只弹簧测力计拉力的大小，如图所示。
(1)试在图中作出无实验误差情况下F1和F2的合力图示，并用F表示此力。
(2)有关此实验，下列叙述正确的是__________。
A.两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大
B.橡皮筋的拉力是合力，两弹簧测力计的拉力是分力
C.两次拉橡皮筋时，需将橡皮筋结点拉到同一位置O。这样做的目的是保证两次弹簧测力计拉力的效果相同
D.若只增大某一只弹簧测力计的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变，只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可
【解析】(1)用平行四边形定则作图，即以F1、F2为两邻边作平行四边形，对角线就表示合力F。(标上箭头表明方向)
(2)两分力可以同时大于合力，故A对；结点受三个力作用处于平衡状态，其中两弹簧测力计的拉力的合力与第三个力——橡皮筋的拉力等大反向，是一对平衡力，而橡皮筋的拉力不是合力，故B错；只有保证结点在同一位置才能说明作用效果相同，故C对；若两个分力的大小都改变而方向都不变，则合力必改变，结点的位置必改变，故D错。
【答案】(1)如图所示　 (2)AC
验证力的平行四边形定则
实验目的：目标专一
数据处理：作图法
实验步骤：规范认真
实验器材：了然于胸
明确：题型归类
1.如图所示，用A、B两个测力计拉橡皮条的D端（O端固定）当D端达到E处
时(α+β)=90°；然后保持A的读数不变，当α角由图中所示的值逐渐变
小时，要使D端仍处在E处，可采用的办法是( )
A.增大B的读数，减小β角
B.减小B的读数，减小β角
C.减小B的读数，增大β角
D.增大B的读数，增大β角
O
D
E
A
B
α
β
B
2.如图所示是A、B两位同学在做本实验时得到的结果，可以
判定其中_______同学的实验结果比较符合实验事实，理由
是______________________________________________
A
F′是单独拉，应该和橡皮条处在同一直线上
A
B
F′
F′
3.某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,所用器材有:方木板一
块,白纸,量程为5 N的弹簧测力计两个,橡皮条(带两个较长的细绳套),
刻度尺,图钉(若干个)。
(1)具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的
有_______。
A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上
B.重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同
C.使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线;读数时视线应正对测力计刻度
D.用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计
时的拉力
BC
(2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验,白纸上留下的标注信息有
结点位置O、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点,如图
所示。其中对于提高实验精度最有利的是______。
B
4.在“验证力的平行四边形定则”实验中,除了供给其他各个必要的器材外,只给了一个弹簧测力计。能否做好本实验 如能,请简要说明如何操作
答案：可以。在固定好白纸和橡皮条以后,用弹簧测力计拉一个细绳、用手拉另一个细绳(两绳间有一不为零的夹角),把细绳和橡皮条的结点拉至某一位置O。记下位置O、两条细绳的方向、弹簧测力计的示数F1.然后用弹簧测力计拉另一条细绳,用手拉前一次弹簧测力计拉的那条细绳,使结点仍然到达位置O。
同时使两细绳和前一次拉动时画下的两条直线重合,记下此时弹簧测力计的示数F2。以F1、F2为邻边作平行四边形,求出合力的理论值F。上述操作完成的实验内容,相当于用两个弹簧测力计同时拉动橡皮条所完成的实验内容,其他实验步骤和有两个弹簧情况下的实验完全相同。不过,按照此种方法操作,会带来新的实验误差,原因是在第二次拉动橡皮条时,要想在结点到达位置O的同时,两根细绳和前一次拉动时画下的直线完全重合是不可能的,一定会有偏差。
三、平行四边形定则
1．平行四边形定则：若以表示互成角度的两共点力的有向线段为______作平行四边形，则两邻边间的_________所对应的这条有向线段就表示这两个共点力的合力______和______。
邻边
对角线
大小
方向
F合
θ
F1
F2
o
三、平行四边形定则
2．两个以上的力的合成方法：用_______________定则先求出其中两个力的合力，然后用平行四边形定则再求这个合力与第三个力的合力，直到把所有外力都合成为止，最后得到这些力的合力。
平行四边形
F1
F2
F3
F12
F123
F1234
F4
F1
F2
F3
F1234
F4
F5
F12345=0
一个物体受多个共点力的作用下处于平衡状态，则其中任意一个力一定与其余所有力的合力等大、反向、共线
书P 100
小结 力的合成
1．作图法
作图法就是用作图工具根据平行四边形定则作出平行四边形，然后用测量工具测量出合力的大小、方向。（误差较大）
2．计算法
(1)两分力共线时
F1与F2方向相同 合力大小F＝F1＋F2，方向与F1和F2的方向相同
F1与F2方向相反 合力大小F＝|F1－F2|，方向与F1和F2中较大的方向相同
(2)两分力不共线时：可以先根据平行四边形定则作出分力及合力的示意图，然后由几何知识求解对角线的大小和方向，即为合力。
1、两个共点力F1和F2大小不变，夹角在由0°变到180°过程中，合力的大小怎样变化？
1、两个共点力F1和F2大小不变，夹角在由0°变到180°过程中，合力的大小怎样变化？
两个分力大小一定时，合力随着分力夹角增大而减小。
F1
F2
o
∴两个分力F1和F2的合力大小范围：
|F1－F2|≤ F合≤ F1+F2
2、当合力F大小不变，若分力F1和F2夹角在由0°变到180°过程中，分力的大小怎样变化？
合力不变时，分力随着夹角增大而增大
3、两个共点力F1和F2夹角θ不变，一个分力增大，一个分力不变，则合力的大小怎样变化？
F1
F2
o
θ
0≤θ≤90°，较大的分力增大时，合力增大
3、两个共点力F1和F2夹角θ不变，一个分力增大，一个分力不变，则合力的大小怎样变化？
F1
F2
o
θ
0≤θ≤90°，较小的分力增大时，合力也增大吗？
0≤θ≤90°，较小的分力增大时，合力也增大
3、两个共点力F1和F2夹角θ不变，一个分力增大，一个分力不变，则合力的大小怎样变化？
F1
F2
o
θ
90°≤ θ ≤180°较大的分力增大时，合力增大
3、两个共点力F1和F2夹角θ不变，一个分力增大，一个分力不变，则合力的大小怎样变化？
F1
F2
o
90°≤ θ ≤180°，较小的分力增大时，
合力可能增大、减小或不变
合力与分力小结
1.两个力的合力范围：|F1－F2|≤ F合≤ F1+F2
2.合力可以大于、小于或等于任意一个分力
3.两分力大小不变，夹角变大，合力变小
4.合力大小不变，分力夹角变大，分力变大
5.两分力夹角不变，增大其中一个分力，合力可能变大、变小或不变。
注意当90°≤ θ ≤180°，较小的分力增大时，合力变化的情况有多种
例题1. (2022·重庆市66中期中)两个力F1和F2之间的夹角为θ，其合力为F。以下说法正确的是(　　)
A．合力F总比力F1和F2中的任何一个都大
B．当θ＝90°时，合力F此时为最大值
C．若力F1和F2大小不变，θ角越小，则合力F越大
D．若夹角θ不变，力F1大小不变，F2增大，则合力F一定增大
c
优化P71
例题2. 两个共点力的合力F随两个共点力间的夹角θ变化的图像如图所示，则这两个力的大小分别为(　　)
A．1 N和4 N
B．2 N和3 N
C．1 N和5 N
D．2 N和4 N
B
优化P71
A
优化P72
　(2022·江苏东海县期中)“千斤顶”是家庭轿车常备工具之一(图甲)，当摇动把手时，“千斤顶”的两“臂膀”在“螺纹轴”的作用下就能靠拢，从而将汽车顶起(图乙)，当车轮刚被顶起时“千斤顶”受到汽车的压力为1.6×104 N(假设恒定不变)，此时“千斤顶”两“臂膀”间的夹角为60°，下列判断正确的是(　　)
A．该汽车的重力大小等于1.6×104 N
B．此时千斤顶每臂受到的压力大小均为1.6×104 N
C．若继续缓慢摇动把手，将汽车顶起，
千斤顶每条“臂膀”受到的压力将减小
D．若继续缓慢摇动把手，将汽车顶起，
千斤顶每条“臂膀”受到的压力将增大
C
优化P72
三个力F1、F2和F3的合力大小范围？
① 最大值：三个力共线且同向时,其合力最大，为F1+F2+F3。
② 最小值：任取两个力，求出其合力的范围，如果第三个力在这个范围之内，则三个力的合力最小值为零；如果第三个力不在这个范围内，则合力最小值等于最大的力减去另外两个力的和。
3．(力的合成)有三个力大小分别为3 N、7 N、9 N，则它们的合力的最大值和最小值分别为(　　)
A．19 N、1 N B．9 N、2 N
C．19 N、0 D．13 N、0
解析：先确定其中任两个力如3 N、7 N的合力范围：最小值为4 N、最大值为10 N，由于第三个力为9 N，在前两个力合力范围内，故存在前两个力与第三个力等值反向的可能，故这三个力合力的最小值为0，而当三个力的方向均相同时合力最大，即合力的最大值为19 N，C正确。
C
优化P73
三角形定则
F合
θ
F1
F2
o
F合
θ
F1
F2
o
把分力首尾相连，
合力就是从第一个分力的始端指向最后一个分力的末端的有向线段
F1
F2
F3
F4
F1
F2
F3
F4
F合