第三章实验：探究求合力的方法+学案 Word版含答案

实验：探究求合力的方法
一、实验目的
1．练习用作图法求两个力的合力。
2．验证互成角度的两个力合成的平行四边形定则。
二、实验原理
一个力F的作用效果与两个共点力F1和F2的共同作用效果都是把橡皮条结点拉伸到某点，则F为F1和F2的合力，作出F的图示，再根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F′的图示，比较F′与F在实验误差允许范围内是否大小相等、方向相同，即得到互成角度的两个力合成是否遵循平行四边形定则。
三、实验器材
方木板、白纸、图钉若干、细芯铅笔、橡皮条一段、细绳套两个、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺。
四、实验步骤
1．在方木板上用图钉固定一张白纸，如图甲所示，用图钉把橡皮条的一端固定在木板上A点，在橡皮条的另一端拴上两个细绳套。
2．用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条将结点拉到某位置O，用铅笔描下结点的位置、细绳的方向，并记录两弹簧测力计的读数。
3．如图乙所示，按适当的比例作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，利用刻度尺和三角板，以F1、F2为邻边画出平行四边形，并画出对角线F′。
4．用一个弹簧测力计把橡皮条拉到同一位置O，记下弹簧测力计的读数和细绳的方向，并用同样的比例作出这个力F的图示。
5．比较F与F′的大小和方向，看它们在实验误差允许范围内是否相同，从而验证平行四边形定则。
五、误差分析
1．使用中，弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧测力计的外壳和纸面之间有摩擦力存在会引起系统误差。
2．两次测量拉力时，橡皮条的结点不可能做到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。
六、注意事项
1．结点
(1)定位结点时要力求准确；
(2)同一次实验中橡皮条结点位置必须保持不变。
2．拉力
(1)用弹簧测力计测拉力时要使拉力沿弹簧测力计轴线方向；
(2)应使橡皮条、弹簧测力计和细绳套位于与纸面平行的同一平面内；
(3)两个分力F1、F2间的夹角不要太大或太小。
3．作图
(1)在同一次实验中，选定的比例要相同；
(2)严格按力的图示要求和作图法作出平行四边形，求出合力。
[例1]　某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，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。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)F′是一根弹簧作用时，把橡皮条的结点拉到同一位置O的力，故F′必沿OA方向。
(2)合力与分力是等效的，故选B。
(3)力既要记录大小，还要记录方向。
[答案]　(1)F′　(2)B　(3)①C　E　②C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”
[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，每个沿着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)在如图所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。
[解析]　两弹簧测力计的读数分别为4.00 N和2.50 N，作出合力如图所示。
[答案]　(1)4.00　2.50　(2)见解析图
1.某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到3条相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第3条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物，如图所示。
(1)(多选)为完成实验，下述操作中必需的是________。
A．测量细绳的长度
B．测量橡皮筋的原长
C．测量悬挂重物后橡皮筋的长度
D．记录悬挂重物后结点O的位置
(2)钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是________________________________________________________________________。
解析：(1)必需测量橡皮筋的原长和悬挂重物后橡皮筋的长度，这样才能确定橡皮筋的伸长量。确定各力的大小，还需记录悬挂重物后结点O的位置，同时记下3条橡皮筋所在的方向，以便确定各拉力的方向，根据平行四边形定则做出合力的图示。因此，(1)中必需的是B、C、D。(2)改变条件再次验证可采用更换不同的小重物的方法。
答案：(1)BCD　(2)更换不同的小重物
2．某同学在学完“力的合成”后，想在家里做实验验证力的平行四边形定则。他从学校的实验室里借来两个弹簧测力计，按如下步骤进行实验。
A．在墙上贴一张白纸用来记录弹簧测力计弹力的大小和方向。
B．在一个弹簧测力计的下端悬挂一装满水的水杯，记下静止时弹簧测力计的读数F。
C．将一根大约30 cm长的细线从杯带中穿过，再将细线两端分别拴在两个弹簧测力计的挂钩上。在靠近白纸处用手对称地拉开细线，使两个弹簧测力计的示数相等，在白纸上记下细线的方向，弹簧测力计的示数如图甲所示。
D．在白纸上按一定标度作出两个弹簧测力计的弹力的图示，如图乙所示，根据力的平行四边形定则可求出这两个力的合力F′。
(1)在步骤C中，弹簧测力计的读数为________ N。
(2)在步骤D中，合力F′＝________ N。
(3)若________________________________，就可以验证力的平行四边形定则。
解析：(1)弹簧测力计读数时需要估读，最终的读数要以有效数字的形式给出，根据题图甲弹簧测力计指针的位置，可读出力的大小为3.00 N。
(2)根据力的大小可以用线段的长度来表示，利用刻度尺和三角板在题图乙上，由已知的两个力作出平行四边形，测量出两力之间的对角线的长度，与标度为1 N的长度进行比
较，可求出F′的大小为(5.2±0.2)N。
(3)若F′在竖直方向且数值与F近似相等，在实验误差允许的范围内可以验证力的平行四边形定则。
答案：(1)3.00　(2)(5.2±0.2)　(3)F′在竖直方向且数值与F近似相等
3．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测力计互成角度地拉橡皮条，另一次是用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条。
(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．将弹簧测力计都拉伸到相同刻度
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．弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行
C．用两弹簧测力计同时拉细绳时两弹簧测力计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B、D。
(2)对减小误差有益的做法是B、D。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，减小了测量误差。实验时两细绳不必等长，两弹簧测力计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
4．在“探究求合力的方法”实验中，部分实验步骤如下，请完成有关内容：
A．将一根橡皮条的一端固定在贴有白纸的竖直平整木板上，另一端绑上两根细线。
B．在其中一根细线上挂5个质量相等的钩码，使橡皮条拉伸，如图甲所示，记录：______、______、______。
C．将钩码取下，分别在两根细线上挂上4个和3个质量相等的钩码，用两光滑硬棒B、C使两细线互成角度，如图乙所示，小心调整B、C的位置，使______________________
________________________________________________________________________，
记录____________、____________。
答案：步骤B：钩码个数(或细线拉力)　橡皮条与细线结点的位置O　细线的方向(能反映细线方向的其他记录也可以)
步骤C：橡皮条与细线结点的位置与步骤B中结点O的位置重合　钩码个数(或细线拉力)　对应的细线方向
5．(1)在做“验证力的平行四边形定则”的实验中有同学各自画了以下力的图示，图中F1、F2是用两把弹簧测力计同时拉橡皮筋时各自的拉力，F′是用一把弹簧测力计拉橡皮筋时的拉力；画出了F1、F2、F′的图示，以表示F1、F2的有向线段为邻边画平行四边形，以F1、F2交点为起点的对角线用F表示，在以下四幅图中，只有一幅图是合理的，这幅图是________。
(2)在做完实验后，某同学将其实验操作过程进行了回顾，并在笔记本上记下如下几条体会，你认为他的体会中正确的是________。
A．两根细绳套必须等长
B．用两只弹簧测力计拉绳套时，两测力计的示数要相同
C．若F1、F2方向不变，而大小各增加1 N，则合力的方向也不变，大小也增加1 N
D．用两只弹簧测力计拉时合力的图示F与用一只弹簧测力计拉时图示F′不完全重合，在误差允许范围内，可以说明“力的平行四边形定则”成立
解析：(1)根据实验的操作步骤，两个分力的合力的理论值可能会偏离用一个弹簧测力计拉橡皮筋时的拉力的实验值，用一个弹簧测力计拉橡皮筋时的拉力的方向一定和橡皮筋共线，可知图B正确。
(2)两根细绳套不一定必须等长，选项A错误；用两只弹簧测力计拉绳套时，两测力计的示数不一定要相同，选项B错误；若F1、F2方向不变，而大小各增加1 N，则合力的方向可能会改变，大小也不一定增加1 N，选项C错误；用两只弹簧测力计拉时合力的图示F与用一只弹簧测力计拉时图示F′不完全重合，在误差允许范围内，可以说明“力的平行四边形定则”成立，选项D正确。
答案：(1)B　(2)D
6．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：
(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读数。图乙中B弹簧测力计的读数为________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，估读一位，B弹簧测力计的读数为3.60 N；
(3)作图如下：
(4)在实验误差允许的范围内F和F′相等。
答案：(2)方向　3.60　(3)图见解析　(4)在实验误差允许的范围内F和F′相等