2018-2019学年高中人教版物理必修一第三章+相互作用+实验二验证力的平行四边形定则+Word版含答案

实验二　验证力的平行四边形定则
[知识概要]
一、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．进一步练习作图法求两个共点力的合力．
二、实验原理
如果使F1、F2的共同作用效果与另一个力F′的作用效果相同(橡皮条在某一方向伸长一定的长度)，那么，F′就是力F1、F2的合力．再以F1、F2为邻边用平行四边形定则求出合力F，那么在实验误差允许范围内，F与F′应该大小相等、方向相同．
一、实验原理
1．若用一个力F′或两个力F1和F2共同作用都能把橡皮条沿某一方向拉至相同长度，即力F′与F1、F2的共同作用效果相同，那么F′为F1、F2的合力．
2．用弹簧测力计分别测出F′和F1、F2的大小，并记下它们的方向，作出F′和F1、F2的图示，以F1、F2的图示为邻边作平行四边形，其对角线即为用平行四边形定则求得的F1、F2的合力F.
3．比较F′与F，若它们的长度和方向在误差允许的范围内相等，则可以证明平行四边形定则的正确性．
二、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)．
三、实验步骤
1．用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上．
2．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．
3．用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置O，如图所示，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的方向．
4．用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力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．
5．只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的方向，用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这只弹簧测力计的拉力F′的图示．
6．比较力F′与平行四边形定则求出的合力F在大小和方向上是否相同．
7．改变两个力F1与F2的大小和夹角，再重复实验两次．
　在做“验证力的平行四边形定则”的实验中：
(1)某同学准备了以下器材，其中多余的器材是________(选填序号)．
A．方木板 　 B．图钉(几个)　
C．白纸 　 D．天平 　
E．刻度尺 　 F．测力计(两只)　 G．橡皮条
H．细线套(两个) 　 I．铅笔
(2)某同学根据实验数据画出力的图示，如图所示，图上标出了F1、F2、F、F′四个力，其中________(填上述字母)不是由弹簧秤直接测得的；若F与F′的________和________都基本相同，说明共点力合成的平行四边形定则得到了验证．
【解析】　(1)做验证力的平行四边形定则：我们是让两个力拉橡皮条和一个力拉橡皮条产生的作用效果相同，测出两个力的大小和方向以及一个力的大小和方向，用力的图示画出这三个力，用平行四边形做出两个力的合力的理论值，和那一个力进行比较．
所以我们需要的实验器材有：方木板(固定白纸)，白纸(记录方向画图)、刻度尺(选标度)、绳套(弹簧秤拉橡皮条)、弹簧测力计(测力的大小)、图钉(固定白纸)、三角板(画平行四边形)、橡皮条(让力产生相同的作用效果的)、铅笔作图．所以多余的器材是天平，故选D.
(2)某同学根据实验数据画出力的图示，如图所示，图上标出了F1、F2、F、F′四个力，其中F′不是由弹簧秤直接测得的；若F与F′的大小和方向都基本相同，说明共点力合成的平行四边形定则得到了验证．
【答案】　(1)D　(2)F′　大小　方向
　某同学做“验证力的平行四边形定则”实验中，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．用两个弹簧秤分别勾住绳套，互成角度的拉橡皮条，使橡皮条拉长，结点到达某一位置O，记录下O点的位置，读出两个弹簧秤的示数．
D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧秤的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F.
E．只用一只弹簧秤，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，让结点到达O点位置，读出弹簧秤的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示．
F．比较力F′和F的大小和方向，看他们是否相同，得出结论．
上述步骤中：
(1)有重要遗漏的步骤的序号是________．
(2)遗漏的内容是____________________．
解析：验证力的平行四边形定则的实验中，利用力的图示知识，作出合力的理论值和实际值，然后进行比较，所以，实验时，除记录弹簧秤的示数外，还要记下两条细绳的方向，以便确定两个拉力的方向，这样才能作出拉力的图示．C中未记下两条细绳的方向．
答案：(1)C　(2)C中未记下两条细绳的方向
(1)为了使两个弹簧秤的拉力的作用效果与一个弹簧秤的拉力的作用效果相同，同一实验的两次拉动过程中，结点O必须重合．
(2)实验过程中两个拉力的合力是用平行四边形定则求出的，不是计算出的．故没必要使两弹簧秤之间的夹角取特殊角．
四、注意事项
1．正确使用弹簧测力计
(1)实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换或调校，直至相同为止．
(2)使用弹簧测力计测力时，读数应尽量大些，但不能超出它的测量范围．
(3)使用前要检查指针是否指在零刻度线上，否则应校正零位(无法校正的要记录下零误差)．还需用钩码检查是否存在示值误差，若存在，应加以校正．
(4)被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动时弹簧及挂钩不可与外壳相碰以避免产生摩擦．
(5)读数时应正对、平视刻度．
2．规范实验操作
(1)不要直接以橡皮条端点为结点，可用一段细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置．
(2)在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点O的位置一定要相同．
(3)不要使用老化的橡皮条，检查方法是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)细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．不要直接沿细绳套的方向画直线，应沿细绳套方向包括末端用铅笔画几个点，取掉细绳套后，再将所标点与O点连一直线确定力的方向．
(5)在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些．
　某同学在做“探究共点力合成的规律”的实验时，利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置O以及两只弹簧测力计拉力的大小，如图甲所示：
(1)试在图甲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)(多选)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
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，只需调整另一弹簧测力计拉力的大小即可
(3)图乙所示是A和B两位同学在做以上实验时得到的结果，其中________(填“A”或“B”)比较符合实验事实(力F′是用一只弹簧测力计拉时的示意图)．
(4)在以上比较符合实验事实的一位同学中，造成误差的主要原因是(至少写出两种情况)：________________；________________.
【解析】　(1)以F1和F2为邻边作平行四边形，与F1和F2共点的对角线表示合力F，标上箭头，如图所示：
(2)两弹簧测力计的拉力的合力与橡皮筋的拉力大小相等，两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大，故A正确；两弹簧测力计的拉力与橡皮条的拉力的合力为零，它们之间不是合力与分力的关系，故B错误；两次拉橡皮筋时，为了使两次达到效果相同，橡皮筋结点必须拉到同一位置O，故C正确；结点位置不变，合力不变，当一只弹簧测力计的拉力大小改变时，另一弹簧测力计的拉力的大小和方向必须都改变，故D错误．
(3)用平行四边形定则求出的合力可以与橡皮条拉力的方向有偏差，但用一只弹簧测力计拉结点的拉力与橡皮条拉力一定在同一直线上，故A符合实验事实．
(4)出现误差的原因主要是测力的大小时出现误差，或者在做平行四边形时出现误差，故具体情况可能为：
①F1的方向比真实方向偏左；
②F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左；
③作图时两虚线不分别与F1线和F2线平行．
【答案】　(1)如图所示
(2)AC
(3)A
(4)①F1的方向比真实方向偏左
②F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左
③作图时两虚线不分别与F1线和F2线平行
　在“探究力的平行四边形定则”的实验中，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，细绳另一端系着绳套B、C(用来连接弹簧测力计)．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．
(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中B的示数为________N.
(2)在实验中，如果只将细绳换成橡皮条，其他步骤没有改变，那么实验结果________(填“会”或“不会”)发生变化．
解析：(1)弹簧测力计的每一格代表0.2 N，所以图中B的示数为3.6 N.
(2)在实验中细线是否伸缩对实验结果没有影响，故换成橡皮筋可以同样完成实验，故实验结果不变．
答案：(1)3.6　(2)不会
处理实验数据时应注意：
(1)实验操作要准确，铅笔描线要细．
(2)作力的图示时，要合理选取标度．
(3)弹簧秤读数时，注意有效数字．
【强化基础】
1．在“验证力的平行四边形定则”的实验中，下列说法正确的是(　　)
A．两分力的夹角越大越好
B．改用一只弹簧测力计拉时，必须将橡皮条结点拉至同一位置O
C．橡皮条系的细绳应尽可能的短
D．若F与F′不重合，证明平行四边形定则错误
解析：两分力的夹角很大时，作图误差太大，所以A错误；橡皮条系的细绳应尽量长些，便于确定拉力的方向，C错误；验证过程中，因读数、作图等误差因素的存在，使F与F′不重合是很正常的，故D错误；为保证作用效果相同，两次拉橡皮条时，必须使结点拉至同一位置O，所以B正确．
答案：B
2．在探究求合力的方法时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上带有绳套的两根细绳．实验时，需要两次拉伸橡皮条，一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条，另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条．
(1)(多选)实验对两次拉伸橡皮条的要求中，下列哪些说法是正确的(填字母代号)(　　)
A．将橡皮条拉伸相同长度即可
B．将橡皮条沿相同方向拉到相同长度
C．将弹簧秤都拉伸到相同刻度
D．将橡皮条和绳的结点拉到相同位置
(2)(多选)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 (填字母代号)(　　)
A．两细绳必须等长
B．弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行
C．用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大
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
解析：(1)实验中两次拉伸橡皮条时，应要求两次的作用效果必须完全相同，即橡皮条被拉伸的方向、长度完全相同，所以答案选BD.
(2)对减小误差有益的做法是BD.B做法能保证分力与合力在同一平面内，减小了作图误差；D做法能保证分力的方向测量更准确，减少了测量误差．实验时两细绳不必等长，两弹簧秤的示数也不一定要求相差较大，所以B、D正确．
答案：(1)BD　(2)BD
3．(多选)在“验证二力合成的平行四边形定则”的实验中，李华同学选用两个量程为5 N的弹簧秤和其他实验器材进行实验：对于实验中的器材用途或实验操作过程，下列说法正确的是(　　)
A．实验过程中，在拆去弹簧秤之前最重要的步骤是只记下弹簧秤的示数
B．细绳套长短影响弹簧秤的拉力方向的准确记录
C．实验中要保证弹簧秤的弹簧与其外壳无摩擦
D．某次实验中，李华用两个弹簧秤互成60°角拉橡皮筋，读出弹簧秤的读数都为4 N，接下来只要操作合理，就能顺利完成实验验证
解析：实验过程中，在拆去弹簧秤之前需要记下弹簧秤的示数和拉力的方向，A选项错误；细绳套长度要适中，否则会引起误差，B选项正确；弹簧秤要与纸面平行且不能与外壳接触，C选项正确；读出弹簧秤的读数后还要记录方向，D选项错误．
答案：BC
4．(2018·全南县期末)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，另一端系上两根细绳，细绳的另一端都有绳套(如图所示)．实验中需用两个弹簧测力计分别勾住绳套，并互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O，再单独用一个弹簧测力计拉伸橡皮条．
(1)某同学在做该实验时，其中正确的是________(填入相应的字母)．
A．拉力F1和F2的夹角必需是90°
B．拉力F1和F2的大小必需相等
C．拉橡皮条时，弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行
D．两个弹簧测力计拉与单独一个弹簧测力计拉橡皮条，只要橡皮条伸长量相等就行
(2)若两个弹簧测力计的读数F1为3 N，F2为4 N，且两弹簧测力计拉力的方向相互垂直，则________(选填“能”或“不能”)用一个量程为6 N的弹簧测力计测量出它们的合力．
解析：(1)在“验证力的平行四边形定则”的实验中，对两弹簧测力计拉力的大小及它们之间的夹角没有要求，A、B选项错误；拉力方向必须与木板平面平行，故弹簧测力计、橡皮条、细绳应贴近木板并与木板平面平行，C选项正确；合力与分力是等效替代的关系，故两个弹簧测力计拉与单独一个弹簧测力计拉橡皮条时，橡皮条的结点必须到达同一位置，D选项错误．
(2)F1、F2相互垂直，合力F合＝＝5 N＜6 N，故能用一个量程为6 N的弹簧测力计测量出它们的合力．
答案：(1)C　(2)能
【巩固易错】
5．(多选)在“研究共点力的合成”的实验中，先在水平木板上固定一张白纸，橡皮条一端固定在纸边，将带两个绳套的另一端放在纸面上，弹簧测力计拉住绳套可使橡皮条伸长．以下操作正确的是(　　)
A．实验前，将弹簧秤水平调零
B．实验中，弹簧测力计必须保持与木板平行，读数时视线要正对弹簧测力计的刻度
C．实验中，先将其中一个弹簧测力计沿某一方向拉到最大量程，然后只需调节另一弹簧测力计的拉力大小和方向，把橡皮条结点拉到记下的位置O点
D．通过细绳套用一个弹簧秤拉和用两个弹簧秤拉，只要橡皮条伸长相同长度即可
解析：弹簧秤使用前需要调零，为了避免自身重力的影响，应将弹簧秤水平调零，A选项正确；实验中，为了减少实验误差，弹簧测力计必须保持与木板平行，读数时视线要正对弹簧测力计的刻度，B选项正确；实验中，为了避免弹簧测力计超出弹性限度，不能将弹簧测力计拉到最大量程，C选项错误；实验中相同的作用效果是将橡皮条拉伸到同一位置，D选项错误．
答案：AB
6．小明通过实验探究合力的方法：
(1)实验所用的一只弹簧测力计如图甲所示，在用它测力前应对它进行的操作是________________．
(2)数据如乙图所示，小明用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连接起来；观察图形后，他觉得所画的图形很像平行四边形．至此，为正确得出求合力的一般方法，你认为小明接下来应该做些什么？(写两点)
①________________________________________________________________________.
②________________________________________________________________________.
解析：(1)弹簧测力计指针不在零位置，故在用它测力前应对它进行的操作是调零．
(2)根据所画的图形很像平行四边形这一事实，小明接下来应该做以下事情：
①验证该图形基本就是平行四边形；
②得出求合力的一般方法；
③改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验，验证猜想；
④与同学交流，得出合理结论．
答案：(1)调零　(2)①验证该图形基本就是平行四边形　②得出求合力的一般方法　③改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验，验证猜想　④与同学交流，得出合理结论(任选其二)
【能力提升】
7．(2018·陕西一模)某实验小组用一只弹簧秤和一个量角器等器材验证力的平行四边形定则，设计了如图所示的实验装置，固定在竖直木板上的量角器在直边水平，橡皮筋的一端固定于量角器的圆心O的正上方A处，另一端系绳套1和绳套2.
(1)主要实验步骤如下：
①弹簧秤挂在绳套1上竖直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达O处，记下弹簧秤的示数F；
②弹簧秤挂在绳套1上，手拉着绳套2，缓慢拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达O处，此时绳套1沿0°方向，绳套2沿120°方向，记下弹簧秤的示数F1；
③根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1′＝________；
④比较________可初步验证；
⑤只改变绳套2的方向，重复上述实验步骤．
(2)保持绳套2方向不变，绳套1从图示位置向下缓慢转动90°，此过程中保持橡皮筋的结点在O处不动，关于绳套1的拉力大小的变化，下列结论正确的是________(填选项前的序号)．
A．逐渐增大
B．先增大后减小
C．逐渐减小
D．先减小后增大
解析：(1)第二次实验时，绳套1的拉力和绳套2的拉力之和等于第一次实验时弹簧秤的示数，根据平行四边形定则计算绳套1的拉力F1′＝Ftan30°＝F.
通过比较F1和F1′，在误差范围内相同，则可初步验证．
(2)两个绳套在转动过程中，合力保持不变，根据平行四边形定则可知，绳套1的拉力大小先减小后增大，D选项正确．
答案：(1)F　F1和F1′　(2)D