实验02 （考点解读）验证力的平行四边形定则 2021年高考物理二轮专题解读与训练（解析版）

实验 02 （考点解读）验证力的平行四边形定则 一、实验目的 1.验证力的平行四边形定则。 2.理解等效替代思想的应用。 二、实验原理 一个力 F'的作用效果和两个力 F1、F2 的作用效果都是让同一条端固定的橡皮筋伸长到同一一 点，所以力 F'就是这两个力 F1、F2 的合力。作出力 F、F2 和 F'的图示，再根据平行四边形定则 作出力 F1、F2 的合力 F 的图示，如实验图所示。比较 F、F'的大小和方向，若在实验误差允许 范围内相等，则可验证平行四边形定则的正确性。 三、实验器材 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（几个）。 四、实验步骤 1.用图钉把白纸钉在水平桌面上的木板上。 2.用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的 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 a、b 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.只用一只弹簧测力计 c 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 数和细绳套的方向。 5.改变两弹簧测力计拉力的大小和方向，再重做实验两次。 五、数据处理 1.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 a、b 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。 2.用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出实验步骤4中弹簧测力计c的拉力F'的图示。 3.比较 F 与 F'是否重合。 六、注意事项 （1）正确使用弹簧测力计：①本实验需要选用规格相同的两只弹簧测力计；②使用时读数尽 量大，但不能超出范围；③被测力的方向与轴线方向要一致；④ 读数时应正对、平视刻度。 （2）位置不变：在同一次实验中，橡皮筋拉长后，点 O 的位置必须保持不变。 （3）角度合适：用两只弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮筋时，夹角不宜太大也不宜 太小，以 60°- 100°为宜。 （4）确定方向：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， 应在细绳套末端的橡皮筋处用铅笔画-个点，去掉细绳套后，再将所标点与 0 点连接，即可确 定力的方向。 （5）统一标度：在同一次实验中，画力的图示时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。 七、误差分析 1.偶然误差:弹簧测力计读数和作图造成偶然误差，需要多做几次实验，并且使两分力 F1、F2 的夹角适当大些。 2.减小误差的办法: （1）实验过程中读数时视线要垂直弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正 确读数和记录。 （2）作图时应借助三角板，使表示两力的对边一定要平行。 1．某同学利用如图所示的装置来验证力的平行四边形定则。在竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮 A 和 B，将绳子打一个结点 O，每个钩码的质量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子的拉 力 1F 、 2F 、和 3F ，回答下列问题。 （1）改变钩码个数，实验能完成的是____________ A．钩码的个数 1 2 2N N  ， 3 4N  B．钩码的个数 1 3 3N N  ， 2 7N  C．钩码的个数 1 3N  ， 2 5N  ， 3 6N  （2）在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是____________ A．标记结点 O 的位置，并记录 OA 、OB 、OC 三段绳子的方向 B．量出 OA 、OB 、OC 三段绳子的长度 C．用量角器量出三段绳子之间的夹角 D．用天平测出钩码的质量 （3）在作图时，你认为图中__________（选填“甲”或“乙”）是正确的。 【答案】C A 甲 【解析】（1）[1] 对 O 点受力分析 OA、OB、OC 分别表示三个力的大小，由于三共点力处于平衡，所以 OC 等于 OD，因此三个力的大小构成 一个三角形 A．以钩码的个数表示力的大小，则不能构成三角形，A 错误； B．以钩码的个数表示力的大小，则不能构成三角形，B 错误； C．以钩码的个数表示力的大小，则三力为边构成等边三角形，C 正确。 故选 C。 （2）[2] 为验证平行四边形定则，必须做受力图，所以先明确受力点，即标记结点 O 的位置，其次要做出 力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此要做好记录，是从力的三要素角度出发，要记录砝码 的个数和记录 OA、OB、OC 三段绳子的方向。 故选 A。 （3）[3] 以 O 点为研究对象，F3 的是实际作用效果在 OC 这条线上，由于误差的存在，F1、F2 的理论值要 与实际值有一定偏差，故甲图符合实际，乙图不符合实际。 2．在验证力的平行四边形定则的实验中，某兴趣小组使用传统的木板、图钉、白纸、橡皮条、细绳和弹簧 测力计等工具，把木板平放在水平桌面上来做实验。 （1）下列不必要的实验要求是______。 A．弹簧测力计应在使用前校零 B．拉绳方向应与木板平面平行 C．为了更方便地验证力的平行四边形定则，最好使两个力 1F 、 2F 间的夹角为 90° D．改变拉力，进行多组实验，每次都要使结点静止在同一位置 （2）下列实验操作合理的是______。 A．记录结点的位置时，应该在结点正下方描一个清晰且尽量大的点 B．记录细绳方向时，应该在细绳正下方相距较远的位置上点两个较小的点 C．为了方便操作和作图，可将其中一个弹簧测力计中拉力的方向固定下来，改变另一个弹簧测力计的示数 和拉力的方向 D．为了减小实验误差，在不超出量程的情况下，应该使弹簧测力计的示数尽量大些 （3）兴趣小组在水平放置的木板上很快做完了实验，想尝试在倾斜木板上做实验，______（填“能”或“不能”） 有效验证力的平行四边形定则。 【答案】CD BCD 能 【解析】（1）[1]A．根据仪器使用常识可知，弹簧测力计在使用前需校零，A 项是必要的； B．实验中力必须与木板在同一平面内，B 项也是必要的； C．要验证平行四边形定则，夹角不应该选取特殊角度，C 项不必要； D．在同一组实验中，要使两次拉力的作用效果相同，结点的位置必须相同，但在不是同一组实验验证时， 结点的位置可以不同，所以不需要固定结点位置，D 项不必要。 本题选不必要的要求，故选 CD。 （2）[2]A．实验中记录描点时，点描得越小，带来的实验误差会越小，故描点要尽量小且清晰，A 项操作 是不合理； B．两个点相距较远，有利于作图时把力的方向作准确，B 项操作是合理的； C．为了方便作图，可将其中一个弹簧测力计中拉力的方向固定下来，改变另一个弹簧测力计的示数和拉力 的方向，只要将结点拉至与一个弹簧测力计拉橡皮条时结点相同的位置即可，不影响实验的有效性，故 C 项操作是合理的； D．为了减小实验误差，在不超出弹簧测力计量程的情况下，弹簧测力计的示数越大，读数误差越小，故 D 项是合理的。 故选 BCD。 （3）[3]无论在哪个平面做实验，只要满足在该平面内两次力的作用效果相同，在操作无误的情况下，即可 验证力的平行四边形定则，因此在倾斜的木板上做实验，也能够有效验证力的平行四边形定则。 3．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 与 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个弹簧测力计的拉力 F1 和 F2 的图示，并用平行四边形定则求出 合力 F； E．只用一个弹簧测力计，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 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：有重要遗漏的内容分别是__________和_____________． 【答案】（1）F′ （2）B （3）C 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”． 【解析】（1）F 是通过作图的方法得到合力的理论值，而 F′是通过一个弹簧称沿 AO 方向拉橡皮条，使橡 皮条伸长到 O 点，使得一个弹簧称的拉力与两个弹簧称的拉力效果相同，测量出的合力．故方向一定沿 AO 方向的是 F′； （2）本实验采用的科学方法是等效替代法，故选 B． （3）步骤 C 中应加上“记下两条细绳的方向”．步骤 E 中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置 O”． 4．某兴趣小组在做“验证力的平行四边形定则”实验，手边的器材有：一根轻弹簧、一个校准过的弹簧测力 计、刻度尺、装有水的矿泉水瓶、木板、白纸等，步骤如下： ①将轻弹簧上端固定，用弹簧测力计向下缓慢拉动轻弹簧下端，记录弹簧测力计的读数 F 以及对应的轻弹 簧长度 L，如下表： F/N 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 L/cm 12.50 12.91 13.30 13.69 14.11 14.50 ②根据表中数据，在图甲中做出 F-L 图像____________________，求得轻弹簧的劲度系数为_____N/m（保 留三位有效数字）； ③将一张白纸贴在竖直放置的木板上，如图乙所示，用轻弹簧和测力计共同提起矿泉水瓶并保持静止，在 白纸上记下结点位置 O，记录弹簧测力计的拉力 F1=1.70N 和方向 OA； ④测量出轻弹簧的长度 L1=13.69cm，记录轻弹簧的拉力 F2 的方向 OB； ⑤只用弹簧测力计提起矿泉水瓶并保持静止，使结点仍然在 O 点，记录此时弹簧测力计的读数 F=2.00N 和 方向 OC； ⑥实验记录纸如图丙所示，请在图丙中用 1cm 长的线段表示 0.5N 的力，以 O 点为作用点，画出 F、F1、F2 的图示____________________。 ⑦为了验证力的平行四边形定则，同学们提出以下两种不同方案： 方案 A：以 F、F1 为邻边，按平行四边形定则画出 F、F1 的合力 F’，比较 F 和 F’的一致程度。 方案 B：用虚线把 F 的箭头末端分别与 F、F1 的箭头末端连起来，比较连线与 F、F1 组成的四边形与标准 的平行四边形的一致程度。 你认为哪一种方案更可行_____？理由是___________________。 【答案】 125N/m 方案 A 更可行 因 为方案 A 便于操作，依据平行四边形定则作的合力和实际值相比，线段的长短和方向差别更直观 【解析】[1]如下图 [2]弹簧的劲度系数即为图象中的斜率 125N/mFk L   [3]见下图 [4] [5]方案 A 更可行，因为方案 A 便于操作，依据平行四边形定则作的合力和实际值相比，线段的长短和 方向差别更直观 5．在做“探究合力与分力的关系”实验时： （1）把橡皮条的一端固定在木板上，用两个弹簧秤把橡皮条的另一端拉到某一确定的 O 点，以下操作中正 确的是___________。 A．同一次实验过程中，O 点位置允许变动 B．实验中，弹簧秤必须与木板平行，读数时视线要正对弹簧秤刻度 C．实验中，先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后只需调节另一弹簧秤拉力的大小和方向， 把橡皮条另一端拉到 O 点 D．实验中，把橡皮条的另一端拉到 O 点时，两弹簧秤之间夹角应取 90 ，以便于算出合力的大小 （2）该实验思想是等效思想，其等效性是指___________。 A．使两分力与合力满足平行四边形定则 B．使两次橡皮筋与细绳套的结点都与某点 O 重合 C．使两次橡皮筋伸长的长度相等 D．使弹簧秤在两种情况下发生相同的形变 （3）根据实验中的测量数据，画出了各力的图示。以下为三位同学在做平行四边形过程中的某一瞬间（直 尺固定），其中操作正确的是_____。 A． B． C． 【答案】B B C 【解析】（1）[1] A．同一次实验过程中，O 点位置不允许变动，故 A 项错误； B．实验中，弹簧秤必须与木板平行，读数时视线要正对弹簧秤刻度，这样才能所有力均在一平面内且弹簧 秤读数准确，故 B 项正确； C．实验中，若先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后调节另一弹簧秤拉力的大小和方向，把 橡皮条另一端拉到 O 点，则第一个弹簧秤的拉力易超出量程，故 C 项错误； D．实验中，把橡皮条的另一端拉到 O 点时，两弹簧秤之间夹角没有限制，且合力的大小不是计算出来的， 故 D 项错误。 故选 B。 （2）[2] 该实验思想是等效思想，其等效性（合力与分力的作用效果）是指两次橡皮筋与细绳套的结点都 与某点 O 重合，故 B 项正确，ACD 三项错误。 故选 B。 （3）[3]将力平移时，应将三角板的一个直角边与刻度尺对齐，另一个直角边与力平行，然后将三角板沿刻 度尺移动，作力的平行线，故 C 项正确，AB 两项错误。 故选 C。 6．在“验证力的平行四边形定则”的实验中，某同学进行实验的主要步骤是： a.如图甲所示，将橡皮筋的一端固定在木板上的 A 点，另一端拴上两根绳套，每根绳套分别连着一个弹簧测 力计； b.沿着两个方向拉弹簧测力计，将橡皮筋的活动端拉到某一位置，将此位置标记为 O 点，读取此时弹簧测 力计的示数，分别记录两个拉力 F1、F2 的大小。用笔在两绳的拉力方向上分别标记 a、b 两点，并分别将其 与 O 点连接，表示两力的方向； c.再用一个弹簧测力计将橡皮筋的活动端仍拉至 O 点，记录其拉力 F 的大小并用上述方法记录其方向； （1）本实验用到的物理方法是_______； （2）图乙是在白纸上根据实验数据作出的力的图示，其中________是 F1 和 F2 合力的理论值（填写 F 或 F ）； （3）实验中的一次测量如图丙所示，两个测力计 M、N 的拉力方向互相垂直，即α+β＝90 ，若保持测力计 M 的读数不变，当角α由图中所示的值逐渐减小时，要使橡皮筋的活动端仍在 O 点，可采用的办法是______； A．增大 N 的读数，增大β角 B．减小 N 的读数，增大β角 C．减小 N 的读数，减小β角 D．增大 N 的读数，减小β角 【答案】等效替代法 F C 【解析】（1）[1] 合力与分力是等效替代的关系，所以本实验采用的等效替代法； （2）[2]F1 和 F2 合力的测量值是用一根弹簧秤拉的；F1 和 F2 合力的理论值是根据平行四边形定则作出的， 故 'F 是 F1 和 F2 合力的理论值； （3）[3]由题意可知：保持 O 点位置不动，即合力大小方向不变，弹簧测力计 M 的读数不变，因此根据要 求作出力的平行四边形定则，画出受力分析如图 所以由图可知α角逐渐变小时，N 的示数减小，同时β角减小，故 ABD 错误，C 正确。 故选 C。