新教材适用2023_2024学年高中物理第3章相互作用__力实验：探究两个互成角度的力的合成规律课件新人教版必修第一册

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第三章　相互作用——力实验：探究两个互成角度的力的合成规律目标体系构建1．会通过实验探究互成角度的两个力合成所遵从的规律。2．进一步练习作图法求两个共点力的合力。课前预习反馈 1．实验原理(1)合力F′的确定：把一端固定的同一根橡皮条拉伸到某点，一次只用一个力F′的作用，另一次用两个共点力F1与F2的共同作用，则F′为F1和F2的合力。(2)合力理论值F的确定：作出F1和F2的图示，根据平行四边形定则利用作图法求得合力F。(3)平行四边形定则的验证：在实验误差允许的范围内，比较F′和F是否大小相等、方向是否相同。2．实验器材方木板、白纸、弹簧测力计(两个)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(若干)、铅笔。3．实验过程(1)钉白纸：用图钉把白纸固定在水平桌面上的方木板上。(2)拴绳套：用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套。(3)两个力拉：①通过细绳用两个弹簧秤互成角度拉橡皮条，橡皮条伸长，使结点伸长到O点(如下图所示)。②用铅笔记下O点的位置，画下两条细绳的方向，并记下两个测力计的读数。(4)一个力拉：①只用一个测力计，通过细绳把橡皮条上的结点拉到同样的位置O。②记下测力计的读数和细绳的方向。(5)重复：改变F1和F2的夹角和大小，再做两次。4．数据处理(1)理论值：在白纸上按比例从O点开始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根据平行四边形定则求出合力F。(2)测量值：按同样的比例用刻度尺从O点起作出一个弹簧测力计拉橡皮条时拉力F′的图示。(3)相比较：比较F′与用平行四边形定则求得的合力F在实验误差允许的范围内是否相等。5．操作技巧及注意事项(1)正确使用弹簧测力计①弹簧测力计的选取方法：将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉，若两只弹簧测力计在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换，直至相同为止。②弹簧测力计不能在超出它的测量范围的情况下使用。③使用前要检查指针是否在零刻度线上，否则应校正零位。④被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致，拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦。⑤读数时应正对、平视刻度。(2)实验注意事项①不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，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互成角度两个力的合力的变化，看橡皮条结点O的位置变化，而在每次实验中橡皮条结点的位置一定不能改变。③为了让弹簧秤示数大一些，以减小读数相对误差，又防止合力太大、太小，θ角的取值不要太小和太大，90°左右为宜。橡皮条、细绳、测力计应在同一平面内，测力计的挂钩应避免与纸面摩擦。④拉橡皮条的细线要长些，标记每条细线方向的方法是使视线通过细线垂直于纸面，在细线下面的纸上用铅笔点出两个定点的位置，并使这两个点的距离要尽量远些。⑤作图要用尖铅笔，图的比例要尽量大些，要用严格的几何方法作出平行四边形，图旁要画出表示力的比例线段，且注明每个力的大小和方向。典例剖析考点一　教材原型实验 (2023·广东潮州高一月考)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F′B(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_______。②遗漏的内容分别是_____________________和_________________ ________________。CE记下两条细绳的方向把橡皮条的结点拉到同一位置O解析：(1)F是通过作图的方法得到合力的理论值，而F′是通过一个弹簧秤沿AO方向拉橡皮条，使橡皮条伸长到O点，使得一个弹簧秤的拉力与两个弹簧秤的拉力效果相同，测量出的合力。故方向一定沿AO方向的是F′。(2)合力拉与分力同时拉，O点被拉到同一位置，作用效果相同，是等效替代的关系，所以本实验采用的等效替代法。故选B。(3)本实验为了验证力的平行四边形定则，采用的方法是作力的图示法，作出合力的理论值和实际值，然后进行比较，得出结果。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。步骤C中未记下两条细绳的方向；步骤E中未说明把橡皮条的结点拉到位置O。①有重要遗漏的步骤的序号是CE；②遗漏的内容分别是记下两条细绳的方向和把橡皮条的结点拉到同一位置O。 (2023·浙江宁波高一校联考期末)小陈同学做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验。其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳的结点，实验中，第一次用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条，第二次用一个弹簧测力计拉橡皮条。(1)小陈根据某次实验记录数据，正确做出力的图示，A、B两幅图中_____(选填“A”或“B”)是小陈同学实验后画出的；(2)下列措施可以减小实验误差的是_______；A．橡皮条应与两绳套夹角的平分线在同一直线上B．两个分力F1、F2的方向要垂直C．两根细绳必须等长D．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，弹簧测力计尽量与木板平行E．拉橡皮条的细绳要适当长些，标记同一细绳方向的两点要适当远些(3)从图中可读得弹簧测力计B的示数为_________N。ADE3.8解析：(1)实际合力F′肯定沿AO方向，理论合力是根据平行四边形作出来的，不一定沿AO方向，所以A图是小陈同学实验后画出的。(2)两弹簧测力计大小可以不同，夹角可以垂直也可以不垂直，所以橡皮条不一定与两绳套夹角的平分线在同一直线上，故A、B错误；两根细线的作用是用来记录两分力的方向，不必一定要长度相等，故C错误；实验要记录弹簧测力计在平行于木板方向的读数和方向，所以弹簧测力计要与木板平行，记录方向是根据两点连线做出的，两点尽量远些，故D、E正确。故选D、E。(3)由图可知，弹簧秤的最小分度为0.2 N，则从图中可读得弹簧测力计B的示数为3.8 N。考点二　试验拓展创新 (2023·山东济南高一期末)小勤通过一篇文章了解到所有矢量的运算法则都满足平行四边形定则，她想起了在学校做过的“探究力的合成运算法则”的实验。(1)写出3个物理中的矢量及其单位：___________________________ _________________________________。(2)该实验体现的最主要的物理实验思想是：___________。位移，单位：m；速度，单位：m/s；加速度，单位：m/s2 等效替代(3)小勤想用随身携带的三个完全相同的橡皮筋(遵循胡克定律)验证平行四边形定则。小志为她设计了如下的实验方案：如图所示将三根橡皮筋一端固定于一点O，各自拉长后将另外三个端点分别固定在A、B、C三点，为达成实验目的，该实验需要记录的数据有_________。A．三根橡皮筋的原长B．三根橡皮筋拉长后的长度C．三根橡皮筋的劲度系数D．OA、OB、OC的方向E．O点的位置ABD解析：(1)选取3个物理中的矢量及其单位为：位移，单位：m；速度，单位：m/s；加速度，单位：m/s2。(2)力的合成运算法则实验最主要的物理实验思想是等效替代。(3)记录橡皮筋的原长和橡皮筋拉长后的长度，即可知道橡皮筋的伸长量，三根橡皮筋完全相同，所以可以用各橡皮筋的伸长量来代替各橡皮筋中力的大小关系，因此本实验可不用知道橡皮筋的劲度系数，A、B正确，C错误；知道力的大小后还需要知道力的方向，所以需要记录OA、OB、OC的方向，D正确；本实验中不同的O点位置依然能够满足任意两个橡皮筋中弹力的合力与第三个橡皮筋弹力等大反向的特点，所以O点不固定，实验也可以进行，E错误。 (2023·湖北高一期末)一物理兴趣小组用两根完全相同的轻弹簧、一瓶矿泉水、智能手机等器材验证“力的平行四边形定则”。实验时，先将一弹簧一端固定在墙上的钉子A上，另一端挂矿泉水瓶，如图甲所示；然后将两弹簧一端分别固定在墙上的钉子A、B上，另一端连接于结点O，在结点O挂矿泉水瓶，静止时用智能手机的测角功能分别测出AO、BO与竖直方向的偏角α、β，如图乙所示。改变钉子B的位置，按照上述方法多测几次。(1)依据上述方案并根据力的平行四边形定则，为画出力的合成图，必需的操作是_______(选填选项前的字母)。A．实验中需要测量弹簧的原长B．考虑到矿泉水瓶的大小，墙上的钉子A、B应适当长一些以保持弹簧与墙面平行C．不需要测量图甲、乙中弹簧的长度D．图乙中改变钉子B的位置，多次测量时，要使结点O的位置始终固定不变AB(2)本实验主要采用的科学方法是_____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B解析：(1)实验中，甲图用来测量合力，乙图用来测量两个分力，根据胡克定律，力的大小与弹簧伸长量成正比，力的大小可用弹簧伸长量来表示，因此必须测量弹簧的长度以确定伸长量，故A正确，C错误；考虑到矿泉水瓶的大小，墙上的钉子A、B应适当长一些以保持弹簧与墙面平行，故B正确；实验中重物重力是定值，所以不必保证O点固定不变，故D错误。(2)本实验主要采用的科学方法是等效替代法。故选B。课堂达标检测一、教材原型实验1．(2023·广东广州高一校考期末)完成“验证力的平行四边形定则”实验的几个主要步骤：(1)如图甲，用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉弹簧，使弹簧伸长，需要记录的是结点O的位置、_____________________ ________和描下两细绳的方向。(2)如图乙，用一只弹簧测力计钩住细绳套，把结点拉到_________ _______，记下细绳套的方向，读得弹簧测力计的示数F＝5.0 N。两弹簧测力计的示数F1、F2 同一位置O(3)如图丙，已经按选定的标度作出了力F1、F2的图示，请你在图丙中：a．按同样的标度作出力F的图示_________；b．按力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F′_________。见解析见解析解析：(1)如题图甲，用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，记下结点O的位置、两弹簧测力计的读数F1、F2和描下两细绳的方向；(2)如题图乙，用一只弹簧测力计钩住细绳套把橡皮条的结点拉到同一位置O。(3)按力的图示方法做出力F的图示，根据力的平行四边形定则，做出F1、F2的合力F′，如图所示二、实验拓展创新2．(2023·湖南常德高一阶段练习)在验证力的平行四边形定则的实验中，某实验小组找到了两盒质量为50 g的钩码、一个测力计、一张白纸、一个方木板、三个小定滑轮和三根轻质尼龙线。实验时在方木板上固定好白纸，方木板边缘上互成角度地固定三个小定滑轮，如图甲所示。将三根尼龙线的一端系在一起，另一端分别绕过三个小定滑轮，并在两根尼龙线下端挂上若干钩码，另一根尼龙线下端挂上测力计进行实验。(1)关于该实验，下列说法正确的是_____。(填正确答案选项)。A．只需要记录钩码的个数N1、N2和测力计的示数FB．OA和OB间的夹角必须成钝角C．应调节定滑轮高度使细线与木板均平行D．方木板一定要水平放置C(2)某次实验中测力计的示数如图乙所示，此时对应的拉力为______ N。然后取单位长度的线段表示一定大小的力，以所挂钩码对应的力为邻边作平行四边形，若在实验误差允许的范围内，平行四边形对角线的长度与测力计的示数对应的长度大致相等，且平行四边形的对角线与_______(填OA、OB或OC)大致在一条直线上，则力的平行四边形定则可得到验证。4.00OC解析：(1)还需要记录绳子的方向，即记录三个力的方向，A错误；OA和OB间的夹角可以是钝角，也可以是锐角或直角，为了让实验结果具有普遍性，角度最好多选取，多验证，B错误；细线与木板均平行的话，三个力在同一平面内，且该平面和纸面也是平行的，最后在纸面上画力的图示，是与这三个力对应的。如果细线与木板不平行，则纸面上的三个力与实际方向不能对应，C正确；由C选项的分析知，满足细线与木板均平行的话，木板有一定倾角也是可以的，因为三个力始终在同一平面内，D错误。(2)指针正好指在“4”刻度处，读数要估读到最小分度的下一位，最小分度为0.1 N，所以读数为4.00 N。细线OA、OB上的拉力合成的合力应该与细线OC上的拉力等大、反向，所以填OC。