2018-2019高中物理 第4章 怎樣求合力與分力 實(shí)驗(yàn)：探究合力與分力的關(guān)系學(xué)案 滬科版必修1.doc

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實(shí)驗(yàn)：探究合力與分力的關(guān)系 [目標(biāo)定位]　1.探究互成角度的兩個(gè)力合成的平行四邊形定則.2.練習(xí)用作圖法求兩個(gè)力的合力． 一、實(shí)驗(yàn)原理 一個(gè)力F的作用效果與兩個(gè)共點(diǎn)力F1和F2的共同作用效果都是把橡筋條結(jié)點(diǎn)拉伸到某點(diǎn)，則F為F1和F2的合力，作出F的圖示，再根據(jù)力的平行四邊形定則作出F1和F2的合力F′的圖示，比較F′與F在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)是否大小相等、方向相同，即得到互成角度的兩個(gè)力合成遵從平行四邊形定則． 二、實(shí)驗(yàn)器材 方木板、白紙、圖釘若干、細(xì)芯鉛筆、橡皮筋一段、細(xì)繩套兩個(gè)、彈簧測力計(jì)兩個(gè)、三角板、刻度尺． 三、實(shí)驗(yàn)過程 1．儀器的安裝 (1)釘白紙：用圖釘把一張白紙釘在方木板上，將方木板放在水平桌面上． (2)拴繩套：用圖釘把橡皮筋的一端固定在木板上的A點(diǎn)，在橡皮筋的另一端拴上兩條細(xì)繩套． 2．操作與記錄 (1)兩力拉：用兩個(gè)彈簧測力計(jì)分別鉤住兩個(gè)細(xì)繩套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸長，結(jié)點(diǎn)到達(dá)某一位置O(如圖1所示)．用鉛筆描下結(jié)點(diǎn)O的位置和兩條細(xì)繩套的方向，并記錄彈簧測力計(jì)的讀數(shù)． 圖1 (2)一力拉：只用一個(gè)彈簧測力計(jì)，通過細(xì)繩套把橡皮筋的結(jié)點(diǎn)拉到與前面相同的位置O，記下彈簧測力計(jì)的讀數(shù)和細(xì)繩套的方向． 3．作圖對(duì)比 (1)理論值：在白紙上按比例從O點(diǎn)開始作出兩個(gè)彈簧測力計(jì)同時(shí)拉橡皮筋時(shí)拉力F1和F2的圖示，利用刻度尺和三角板根據(jù)平行四邊形定則求出合力F. (2)測量值：按同樣的比例用刻度尺從O點(diǎn)起作出一個(gè)彈簧測力計(jì)拉橡皮筋時(shí)拉力F′的圖示，如圖2所示． 圖2 (3)相比較：比較F′與用平行四邊形定則求得的合力F在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)是否重合． 4．重復(fù) 改變兩個(gè)分力F1和F2的大小和夾角，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次，比較每次的F與F′在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)是否相等． 四、誤差分析 1．彈簧測力計(jì)使用前沒調(diào)零會(huì)造成誤差． 2．使用中，彈簧測力計(jì)的彈簧和外殼之間、指針和外殼之間或彈簧測力計(jì)的外殼和紙面之間有摩擦力存在會(huì)造成誤差． 3．兩次測量拉力時(shí)，橡皮筋的結(jié)點(diǎn)沒有拉到同一點(diǎn)會(huì)造成偶然誤差． 4．兩個(gè)分力的夾角太小或太大，F(xiàn)1、F2數(shù)值太小，應(yīng)用平行四邊形定則作圖時(shí)，會(huì)造成偶然誤差． 五、注意事項(xiàng) 1．結(jié)點(diǎn) (1)定位O點(diǎn)時(shí)要力求準(zhǔn)確； (2)同一次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉長后的O點(diǎn)必須保持位置不變． 2．拉力 (1)用彈簧測力計(jì)測拉力時(shí)要使拉力沿彈簧測力計(jì)軸線方向； (2)應(yīng)使橡皮筋、彈簧測力計(jì)和細(xì)繩套位于與紙面平行的同一平面內(nèi)； (3)兩個(gè)分力F1、F2間的夾角θ不要太大或太?。? 3．作圖 (1)在同一次實(shí)驗(yàn)中，選定的比例要相同； (2)嚴(yán)格按力的圖示要求和幾何作圖法作出平行四邊形，求出合力． 例1　李明同學(xué)在做“探究合力與分力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用坐標(biāo)紙記下了橡皮筋的結(jié)點(diǎn)位置O以及兩只彈簧測力計(jì)拉力的大小，如圖3(a)所示． 　　 圖3 (1)試在圖(a)中作出無實(shí)驗(yàn)誤差情況下F1和F2的合力圖示，并用F表示此力． (2)(多選)有關(guān)此實(shí)驗(yàn)，下列敘述正確的是(　　) A．兩彈簧測力計(jì)的拉力可以同時(shí)比橡皮筋的拉力大 B．橡皮筋的拉力是合力，兩彈簧測力計(jì)的拉力是分力 C．兩次拉橡皮筋時(shí)，需將橡皮筋結(jié)點(diǎn)拉到同一位置O，這樣做的目的是保證兩次彈簧測力計(jì)拉力的效果相同 D．若只增大某一只彈簧測力計(jì)的拉力大小而保持橡皮筋結(jié)點(diǎn)位置不變，只需調(diào)整另一只彈簧測力計(jì)拉力的大小即可 (3)如圖(b)所示是李明和張華兩位同學(xué)在做以上實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的結(jié)果，其中哪一個(gè)實(shí)驗(yàn)比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)？(力F′是用一只彈簧測力計(jì)拉時(shí)的圖示) ________________________________________________________________________. (4)在以上比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí)的一位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，造成誤差的主要原因是：(至少寫出兩種情況) ______________________________________________________________________. 答案　(1)如圖所示 (2)AC　(3)張華的實(shí)驗(yàn)比較符合實(shí)驗(yàn)事實(shí) (4)①F1的方向比真實(shí)方向偏左； ②F2的大小比真實(shí)值偏小且方向比真實(shí)方向偏左； ③作圖時(shí)兩虛線不分別與F1線和F2線平行 例2　在“探究合力與分力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)情況如圖4所示，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)，OB和OC為細(xì)繩． 圖4 (1)本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是(　　) A．理想實(shí)驗(yàn)法 B．等效替代法 C．控制變量法 D．建立物理模型法 (2)(多選)本實(shí)驗(yàn)中，采取下列哪些方法和步驟可以減小實(shí)驗(yàn)誤差(　　) A．兩個(gè)分力F1、F2間的夾角越大越好 B．拉橡皮筋的細(xì)繩要稍長一些 C．實(shí)驗(yàn)中，彈簧測力計(jì)必須與木板平行 D．讀數(shù)時(shí)視線要正對(duì)彈簧測力計(jì)刻度 解析　(1)本實(shí)驗(yàn)是采用等效替代的原理，當(dāng)兩個(gè)力作用使橡皮筋結(jié)點(diǎn)O伸長到某一點(diǎn)，另一個(gè)力作用也使橡皮筋結(jié)點(diǎn)O伸長到同一點(diǎn)時(shí)，這個(gè)力就是前兩個(gè)力的合力，選B. (2)本實(shí)驗(yàn)中兩彈簧測力計(jì)所拉繩間的夾角一般在60到120之間較合適，A錯(cuò)誤；為了減小誤差，便于確定兩拉力的方向，拉橡皮筋的細(xì)繩要稍長一些，且必須使橡皮筋、細(xì)繩、彈簧測力計(jì)都與木板平行，細(xì)繩要與彈簧測力計(jì)軸線在同一直線上，讀數(shù)時(shí)視線要正對(duì)彈簧測力計(jì)刻度，B、C、D均正確． 答案　(1)B　(2)BCD 1．(多選)在做完“探究合力與分力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)后，某同學(xué)將其實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行了回顧，并在筆記本上記下如下幾條體會(huì)，你認(rèn)為他的體會(huì)中正確的是(　　) A．用兩只彈簧測力計(jì)拉橡皮筋時(shí)，應(yīng)使兩細(xì)繩套間的夾角為90，以便算出合力的大小 B．用兩只彈簧測力計(jì)拉橡皮筋時(shí)合力的圖示F與用一只彈簧測力計(jì)拉橡皮筋時(shí)力的圖示F′不完全重合，在誤差允許范圍內(nèi)，可以說明“力的平行四邊形定則”成立 C．若F1、F2方向不變，而大小各增加1 N，則合力的方向也不變，大小也增加1 N D．在用彈簧測力計(jì)拉橡皮筋時(shí)，應(yīng)使彈簧測力計(jì)的彈簧與木板平面平行 答案　BD 解析　用兩只彈簧測力計(jì)拉橡皮筋時(shí)，兩細(xì)繩套的夾角約在60～120范圍，實(shí)驗(yàn)中不需要計(jì)算出合力的大小，沒必要非得把細(xì)繩套間夾角設(shè)定為90，A錯(cuò)．實(shí)驗(yàn)中F與F′的圖示不一定完全重合，只要兩者長度差不多，夾角很小，就可以近似認(rèn)為驗(yàn)證了“力的平行四邊形定則”，B對(duì)．F1、F2夾角不確定，它們的大小與合力F的大小關(guān)系不確定，不能通過F1、F2大小的變化確定F大小的變化，C錯(cuò)．實(shí)驗(yàn)時(shí)必須使彈簧測力計(jì)的彈簧與木板平面平行，D對(duì)． 2．某同學(xué)用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置來探究合力與分力的關(guān)系．彈簧測力計(jì)A掛于固定點(diǎn)P，下端用細(xì)線掛一重物M.彈簧測力計(jì)B的一端用細(xì)線系于O點(diǎn)，手持另一端向左拉，使結(jié)點(diǎn)O靜止在某位置．分別讀出彈簧測力計(jì)A和B的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點(diǎn)的位置和拉線方向． 圖5 (1)本實(shí)驗(yàn)用的彈簧測力計(jì)示數(shù)的單位為N，圖中A的示數(shù)為________N. (2)下列不必要的實(shí)驗(yàn)要求是________．(請?zhí)顚戇x項(xiàng)前對(duì)應(yīng)的字母) A．應(yīng)測量重物M所受的重力 B．彈簧測力計(jì)應(yīng)在使用前校零 C．拉線方向應(yīng)與木板平面平行 D．改變拉力，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次都要使O點(diǎn)靜止在同一位置 (3)某次實(shí)驗(yàn)中，該同學(xué)發(fā)現(xiàn)彈簧測力計(jì)A的指針稍稍超出量程，請您提出兩個(gè)解決辦法． 答案　(1)3.6 (2)D (3)①改變彈簧測力計(jì)B拉力的大??； ②減小重物M的質(zhì)量(或?qū)更換成較大量程的彈簧測力計(jì)、改變彈簧測力計(jì)B拉力的方向等) 解析　(1)由彈簧測力計(jì)可讀出數(shù)據(jù)為3.6 N； (2)因?yàn)橹灰狾點(diǎn)受力平衡，三個(gè)力的合力為零即可，沒有必要每次都要使O點(diǎn)靜止在同一位置，故選D； (3)減小重物M的質(zhì)量，可使彈簧測力計(jì)的讀數(shù)減小，將A更換成較大量程的彈簧測力計(jì)以及改變彈簧測力計(jì)B拉力的方向也可． 1．在做“探究求合力的方法”的實(shí)驗(yàn)中，以下說法中正確的是(　　) A．用兩只彈簧測力計(jì)拉橡皮條時(shí)，兩細(xì)繩之間的夾角必須為90，以便求出合力的大小 B．用兩只彈簧測力計(jì)拉橡皮條時(shí)，結(jié)點(diǎn)的位置必須與用一只彈簧測力計(jì)拉時(shí)結(jié)點(diǎn)的位置重合 C．若用兩只彈簧測力計(jì)拉時(shí)合力的圖示F與用一只彈簧測力計(jì)拉時(shí)拉力的圖示F′不完全重合，說明力的合成的平行四邊形定則不一定是普遍成立的 D．同一實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)點(diǎn)O的位置允許變動(dòng) 答案　B 解析　理論上，細(xì)繩之間的夾角是任意的，不需要計(jì)算，可以用彈簧測力計(jì)和量角器測量力的大小和方向，A錯(cuò)誤；前后兩次結(jié)點(diǎn)的位置相同，力的作用效果才相同，B正確，D錯(cuò)誤；由于測量和作圖存在誤差，F(xiàn)′和F的方向不一定重合，實(shí)驗(yàn)可以證明，在誤差允許的范圍內(nèi)，平行四邊形定則總是成立的，C錯(cuò)誤． 2．(多選)在“探究合力與分力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)情況如圖1甲所示，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)，OB和OC為細(xì)繩．圖乙是在白紙上根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫出的力的圖示，下列說法中正確的是(　　) 　　 圖1 A．圖乙中的F是力F1和F2合力的理論值，F(xiàn)′是力F1和F2合力的實(shí)際測量值 B．圖乙的F′是力F1和F2合力的理論值，F(xiàn)是力F1和F2合力的實(shí)際測量值 C．在實(shí)驗(yàn)中，如果將細(xì)繩也換成橡皮筋，那么對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響 D．在實(shí)驗(yàn)中，如果將細(xì)繩也換成橡皮筋，那么對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響 答案　BC 解析　F1與F2合成的理論值是通過平行四邊形定則算出的值，而實(shí)際測量值是單獨(dú)一個(gè)力把橡皮筋拉到O點(diǎn)時(shí)的值，因此F′是F1與F2合成的理論值，F(xiàn)是F1與F2合成的實(shí)際測量值，故A錯(cuò)誤，B正確．由于作用效果相同，將兩個(gè)細(xì)繩換成兩根橡皮筋，不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故C正確，D錯(cuò)誤． 3．某同學(xué)做“探究合力與分力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要步驟有 A．在桌上放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上； B．用圖釘把橡皮筋的一端固定在板上的A點(diǎn)，在橡皮筋的另一端拴上兩條細(xì)繩，細(xì)繩的另一端系著繩套； C．用兩個(gè)彈簧測力計(jì)分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸長，結(jié)點(diǎn)到達(dá)某一位置O，記錄下O點(diǎn)的位置，讀出兩個(gè)彈簧測力計(jì)的示數(shù)； D．只用一只彈簧測力計(jì)，通過細(xì)繩套拉橡皮筋使其伸長，讀出彈簧測力計(jì)的示數(shù)，記下細(xì)繩的方向； E．按選好的標(biāo)度，用鉛筆和刻度尺作出用兩只彈簧測力計(jì)拉時(shí)的拉力F1和F2的圖示以及用一個(gè)彈簧測力計(jì)拉時(shí)的拉力F′的圖示，并以F1、F2為鄰邊用平行四邊形定則求出合力F； F．比較F′和F的大小和方向，看它們是否相同，得出結(jié)論． 上述步驟中： (1)有重要遺漏的步驟的序號(hào)是________和________； (2)遺漏的內(nèi)容分別是____________________________和__________________________． 答案　(1)C　D (2)C中應(yīng)加上“記下兩條細(xì)繩的方向” D中應(yīng)說明“把橡皮筋的結(jié)點(diǎn)拉到同一位置O” 解析　(1)根據(jù)“探究求合力的方法”實(shí)驗(yàn)的操作規(guī)程可知，有重要遺漏的步驟的序號(hào)是C、D. (2)在C中未記下兩條細(xì)繩的方向，D中未說明是否把橡皮筋的結(jié)點(diǎn)拉到同一位置O. 4．圖2甲為“探究合力與分力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置． 圖2 (1)(多選)下列說法中正確的是(　　) A．在測量同一組數(shù)據(jù)F1、F2和合力F的過程中，拉橡皮筋結(jié)點(diǎn)到達(dá)的位置不能變化 B．用彈簧測力計(jì)拉細(xì)繩時(shí)，拉力方向必須豎直向下 C．F1、F2和合力F的大小都不能超過彈簧測力計(jì)的量程 D．為減小測量誤差，F(xiàn)1、F2方向間夾角應(yīng)為90 (2)某次操作時(shí)，一只彈簧測力計(jì)的指針如圖乙所示，由圖可知拉力的大小為________N. 答案　(1)AC　(2)4.0 5．在“探究合力與分力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中， 部分實(shí)驗(yàn)步驟如下，請完成有關(guān)內(nèi)容： A．將一根橡皮筋的一端固定在貼有白紙的豎直平整木板上，另一端綁上兩根細(xì)線． B．在其中一根細(xì)線末端掛上5個(gè)質(zhì)量相等的鉤碼，使橡皮筋拉伸，如圖3甲所示，記錄：________、________、________. C．將步驟B中的鉤碼取下，分別在兩根細(xì)線末端掛上4個(gè)和3個(gè)質(zhì)量相等的鉤碼，用兩光滑硬棒B、C使兩細(xì)線互成角度，如圖乙所示，小心調(diào)整B、C的位置，使________，記錄______________________． 圖3 答案　步驟B：鉤碼個(gè)數(shù)(或細(xì)線拉力)　橡皮筋與細(xì)線結(jié)點(diǎn)的位置O　細(xì)線的方向(說明：能反映細(xì)線方向的其他記錄也可以) 步驟C：橡皮筋與細(xì)線結(jié)點(diǎn)的位置與步驟B中結(jié)點(diǎn)的位置O重合　鉤碼個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)的細(xì)線方向 6．某同學(xué)用如圖4甲所示的裝置做“探究合力與分力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．將一木板豎直平行放在鐵架臺(tái)和輕彈簧所在平面后面．其部分實(shí)驗(yàn)操作如下，請完成下列相關(guān)內(nèi)容： 圖4 (1)如圖甲，在木板上記下懸掛兩個(gè)鉤碼時(shí)彈簧末端的位置O； (2)如圖乙所示，卸下鉤碼，然后將兩細(xì)繩套系在彈簧下端，用兩彈簧測力計(jì)將輕彈簧末端拉到同一位置O，記錄細(xì)繩套AO、BO的________及兩彈簧測力計(jì)相應(yīng)的讀數(shù)．其中B彈簧測力計(jì)的讀數(shù)為________ N； (3)該同學(xué)在坐標(biāo)紙上畫出兩彈簧拉力FA、FB的大小和方向如圖丙所示，請?jiān)趫D丙中作出FA、FB的合力F′； (4)已知鉤碼的重力，可得彈簧所受的拉力F如圖丙所示，觀察比較F和F′，得出結(jié)論． 答案　(2)方向　11.40　(3)如圖所示 7．小明通過實(shí)驗(yàn)探究求合力的方法： (1)實(shí)驗(yàn)所用的一只彈簧測力計(jì)如圖5甲所示，在用它測力前應(yīng)對(duì)它進(jìn)行的操作是____________． 圖5 (2)在測出F1、F2和對(duì)應(yīng)的合力F后，他在紙上畫出了F1、F2的圖示，如圖乙所示．請你幫助他在圖中畫出合力F的圖示．(測得F＝4.9 N，圖中a、b為記錄F方向的兩點(diǎn)) (3)小明用虛線把F的箭頭末端分別與F1、F2的箭頭末端連接起來；觀察圖形后，他覺得所畫的圖形很像平行四邊形．至此，為正確得出求合力的一般方法，你認(rèn)為小明接下來應(yīng)該做些什么？(寫出兩點(diǎn)即可) ①________________________________________________________________________. ②________________________________________________________________________. 答案　(1)調(diào)零　(2)見解析圖　(3)①驗(yàn)證該圖形基本就是平行四邊形；②得出求合力的一般方法；③改變F1、F2的大小和方向，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想；④與同學(xué)交流，得出合理結(jié)論(任選其二) 解析　(1)該實(shí)驗(yàn)所用彈簧測力計(jì)開始時(shí)指針不在零位置，故在用它測力前應(yīng)對(duì)它進(jìn)行的操作是調(diào)零． (2)根據(jù)力的三要素作出合力F的圖示如圖所示： (3)根據(jù)所畫的圖形很像平行四邊形這一事實(shí)，小明接下來應(yīng)該做以下事情：①驗(yàn)證該圖形基本就是平行四邊形；②得出求合力的一般方法；③改變F1、F2的大小和方向，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證猜想；④與同學(xué)交流，得出合理結(jié)論．