1、实验3 验证力的平行四边形定则,-2-,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 1.等效法: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一端固定的橡皮条伸长到同一点,所以一个力F就是这两个力F1和F2的合力,作出力F的图示,如图所示。 2.平行四边形法:根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示,如图所示。 3.验证:比较F和F的大小和方向是否相同,若在误差允许的范围内相同,则验证了力的平行四边形定则。,-3-,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
2、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。,-4-,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。,-5-,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
3、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是否完全重合或几乎重合,从而验证平行四边形定则。,-6-,六、误差分析 1.系统误差:弹簧测力计本身不够准确造成的误差,为此要选择比较准确的弹簧测力计。 2.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。 3.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)作图时用刻度尺借助于三角板,使
4、表示两力的对边一定要平行。,-7-,七、注意事项 1.使用弹簧测力计前,要先观察指针是否指在零刻度处,若指针不在零刻度处,要设法调整使其指在零刻度处;再将两只弹簧测力计的挂钩钩在一起,向相反方向拉,如果两个示数相同方可使用。 2.实验中的两个细绳套不要太短。 3.在同一次实验中,橡皮条拉长时结点到达的位置一定要相同。 4.用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时,夹角不宜太大也不宜太小,在60100之间为宜。 5.在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内。要防止弹簧测力计卡壳,防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦。
5、 6.在同一实验中,画力的图示选定的标度要相同,并且要恰当选定标度,使力的图示稍大一些。,-8-,考点一,考点二,考点三,实验原理与操作 例1某同学做验证力的平行四边形定则的实验,如图甲所示,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。,-9-,考点一,考点二,考点三,(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: A.在桌上放一块木板,在木板上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在木板上; B
6、.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.用两只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,读出两只弹簧测力计的示数;,-10-,考点一,考点二,考点三,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,有重要遗漏的步骤的序号是 和 ; 遗漏的内
7、容分别是 和 。,答案,解析,-11-,考点一,考点二,考点三,规律总结操作不忘“三”“二”“一” 用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置),用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)等。,-12-,考点一,考点二,考点三,数据处理与误差分析 例2某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。实验步骤: 将弹簧测力计固定在贴有白纸的竖直木板上,使其轴线沿竖直方向。 如图甲所示,将环形橡皮筋一端挂在弹簧测力计的挂钩上,另一端用圆珠笔尖沿竖直方向下拉,直到弹簧测力计示数为某一设定值时,
8、将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2,记录弹簧测力计的示数F,测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮筋的长度l)。每次将弹簧测力计示数改变0.50 N,测出所对应的l,部分数据如下表所示:,-13-,考点一,考点二,考点三,-14-,考点一,考点二,考点三,找出中F=2.50 N时橡皮筋两端的位置,重新标记为O、O,橡皮筋的拉力记为FO O。 在挂钩上涂抹少许润滑油,将橡皮筋搭在挂钩上,如图乙所示。用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端,使挂钩的下端达到O点,将两笔尖的位置标记为A、B,橡皮筋OA段的拉力记为FOA,OB段的拉力记为FOB。,-15-,考点一,考点二,考点三,完成下列作图和填空:
9、 (1)利用表中数据在图丙所示的坐标纸上画出F-l图线,根据图线求得l0= cm。,丙 (2)测得OA=6.00 cm,OB=7.60 cm,则FOA的大小为 N。,-16-,考点一,考点二,考点三,(3)根据给出的标度,在图丁中作出FOA和FOB的合力F的图示。丁 (4)通过比较F与 的大小和方向,即可得出实验结论。,-17-,考点一,考点二,考点三,解析： (1)作出F-l图线,由F=k(l-l0)可得,直线与横轴的截距即为l0,由图可知,l0=10.0 cm。 (2)由题干表格可知,F=1.50 N时,l=13.00 cm,则弹簧的劲度系数k= =50 N/m;若OA=6.00 cm,O
10、B=7.60 cm,则橡皮筋拉力FOA=kl =50(6.00+7.60-10.00)10-2 N=1.80 N。 (3)见答案 (4)由图可知F为作图法所得到的合力,FOO为真实合力,F与FOO不完全重合,存在一定误差,但在误差允许范围内,可得出实验结论。,-18-,考点一,考点二,考点三,答案： (1)如图甲所示; 10.0(9.8、9.9、10.1均正确)。 (2)1.80(1.701.90均正确)。 (3)如图乙所示。 (4)FOO。,甲,-19-,考点一,考点二,考点三,规律总结1.数据处理作图法 在探究求合力的方法实验中,由作图法得到的合力F与实际测量得到的合力F不可能完全重合,只
11、要在误差范围内可以认为合力F与合力F重合,即可验证平行四边形定则,如图所示。2.误差分析 (1)用两个弹簧测力计拉橡皮条时,橡皮条、细绳和弹簧测力计不在同一个平面内,这样得到的两个弹簧测力计的水平分力的实际合力比由作图法得到的合力要小。 (2)结点O的位置和两个弹簧测力计的方向画得不准,造成作图的误差。 (3)作图比例不恰当造成作图误差。,-20-,考点一,考点二,考点三,实验的改进与创新 本实验一般是在教材实验原理的基础上,以实验中操作的注意事项、误差来源设置条件,或通过改变实验条件、实验仪器设置题目。因此要在教材实验的基础上注重器材变化后对分力和合力的分析判断能力的培养,要善于用教材中实验
12、的原理、方法和技巧处理新问题。,-21-,考点一,考点二,考点三,1.实验器材的变化如图,2.分力和合力的变化 (1)分力的获得:弹簧测力计的拉力钩码的重力。 (2)合力的获得:弹簧测力计的拉力重物的重力钩码的重力。,-22-,考点一,考点二,考点三,例3某小组为了验证力的平行四边形定则,设计了如图甲所示的实验。在一个半圆形刻度盘上安装两个可以沿盘边缘移动的拉力传感器A、B,两传感器的挂钩分别系着轻绳,轻绳的另一端系在一起,形成结点O,并使结点O位于半圆形刻度盘的圆心。在O点挂上重G=2.00 N的钩码,记录两传感器A、B的示数F1、F2及轻绳与竖直方向的夹角1、2,用力的图示法即可验证力的平
13、行四边形定则。,-23-,考点一,考点二,考点三,(1)当F1=1.00 N、F2=1.50 N,1=45、2=30时,请在图乙中用力的图示法作图,画出两绳拉力的合力F,并求出合力F= N。(结果保留3位有效数字) (2)该组同学在实验中,将传感器A固定在某位置后,再将传感器B从竖直位置的P点缓慢顺时针旋转,得到了一系列B传感器的示数F2和对应的角度2,作出了如图丙所示的F2-2图像,由图丙可知A传感器所处位置的角度1= 。,-24-,考点一,考点二,考点三,解析：(1)先画出力的标度,根据题中所给的数据,利用平行四边形定则画出力的图示并求出合力F=2.01 N。,-25-,考点一,考点二,考
14、点三,-26-,考点一,考点二,考点三,例4图甲是验证力的平行四边形定则的实验装置。实验操作如下:,-27-,考点一,考点二,考点三,(1)弹簧测力计A挂于固定点P,下端用细线挂一重物M,测量 ,并记录为F。 (2)弹簧测力计B的一端用细线系于O点,手持另一端向左拉,使结点O静止在某位置(如图所示),此时需记下结点O的位置和两测力计的示数F1、F2以及 。 (3)某同学已在图乙纸上作出了F1、F2的图示,请根据力的平行四边形定则作出F1、F2的合力F。 (4)改变两细线的夹角,重复做实验几次。若F的方向近似在 方向上,且大小近似等于F,则平行四边形定则得以验证。,答案,-28-,1,2,1.(
15、2018云南昆明教学质量检测)某学生实验小组设计了一个验证力的平行四边形定则的实验,装置如图甲所示,在竖直放置的木板上部附近两侧,固定两个力传感器,同一高度放置两个可以移动的定滑轮,两根细绳跨过定滑轮分别与两力传感器连接,在两细绳连接的结点O下方悬挂钩码,力传感器1、2的示数分别为F1、F2,调节两个定滑轮的位置可以改变两细绳间的夹角。实验中使用若干相同的钩码,每个钩码质量均为100 g,g取9.8 m/s2。,-29-,1,2,-30-,1,2,(1)关于实验,下列说法正确的是( ) A.实验开始前,需要调节木板使其位于竖直平面内 B.每次实验都必须保证结点位于O点 C.实验时需要记录钩码数
16、量、两力传感器的示数和三细绳的方向 D.实验时还需要用一个力传感器单独测量悬挂于O点钩码的总重力 (2)根据某次实验得到的数据,某同学按照力的图示的要求画出了F1、F2,请你作图得到F1、F2的合力F(只作图,不求大小),并写出该合力不完全竖直的一种可能原因 。,-31-,1,2,解析：(1)实验开始前,需要调节木板使其位于竖直平面内,以保证钩码重力等于细线中的拉力,选项A正确;该装置每次实验不需要保证结点位于O点,选项B错误;实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向,选项C正确;悬挂于O点钩码的总重力可以根据钩码的质量得出,不需要力传感器测量,选项D错误。(2)利用平行四边形定
17、则作出F1和F2的合力F。该合力方向不完全在竖直方向的可能原因是定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等。,-32-,1,2,答案：(1)AC (2)如解析图所示 定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等(回答出一项合理答案即可),-33-,1,2,2.(2017全国卷)某探究小组做验证力的平行四边形定则实验,将画有坐标轴(横轴为x轴,纵轴为y轴,最小刻度表示1 mm)的纸贴在水平桌面上,如图甲所示。将橡皮筋的一端Q固定在y轴正半轴上的B点(位于图示部分之外),另一端P位于y轴上的A点时,橡皮筋处于原长。 (1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O,此时拉力F的大小可由测力计读出。测力计的示数如图
18、乙所示,F的大小为 N。 (2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个测力计同时拉橡皮筋,再次将P端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图甲中两条虚线所示的方向,由测力计读出两个拉力的大小分别为F1=4.2 N和F2=5.6 N。,-34-,1,2,用5 mm长度的线段表示1 N的力,以O为作用点,在图甲中画出力F1、F2的图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合;,-35-,1,2,F合的大小为 N,F合与拉力F的夹角的正切值为 。 若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内,则该实验验证了力的平行四边形定则。,解析：(1)题图乙中弹簧测力计的精度为0.2 N,则示数为4.0 N; (2)用5 mm长的线段表示1 N的力,F2对应的长度为2.8 cm,F1对应的长度为2.1 cm,根据平行四边形定则作出的图形如答案图所示;测出F合的长度为1.9 cm,则F合的大小为3.8 N,F合、F及F构成的三角形中,F的长度约0.1 cm,此三角形可近似看作直角三角形,则F合与拉,-36-,1,2,答案：(1)4.0 (2)F1、F2和F合如图所示 3.8 0.05,
