经典高中物理实验微课(三)验证力的平行四边形定则

实验微课(三)验证力的平行四边形定则

一、实验目的

1．验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则．

2．培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力．

二、实验原理

互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F′产生相同的效果，看F1、F2用平行四边形定则求出的合力F与F′在实验误差允许范围内是否相等．

三、实验器材

木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺、铅笔．

四、实验步骤

1．用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上．

2．用图钉把橡皮条的一端固定在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，再重做两次实验．

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为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，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中弹簧测力计的拉力F′的图示．

3．比较F与F′是否完全重合或几乎完全重合，从而验证平行四边形定则．

六、注意事项

1．同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，读数相同．

2．在同一次实验中，使橡皮条拉长时，结点O位置一定要相同．

3．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60°～100°之间为宜．

4．实验时弹簧测力计应与木板平行，读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度，在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下，拉力的数值尽量大些．

5．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，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连接，即可确定力的方向．6．在同一次实验中，画力的图示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．弹簧测力计本身的误差．

2．读数误差和作图误差．

3．两分力F1、F2间的夹角θ越大，用平行四边形定则作图得出的合力F的误差ΔF也越大．

考点一 实验原理与实验操作

命题点1 考查实验原理

1．某同学用钩码和弹簧测力计做“验证力的平行四边形定则”实验． (1)请将实验内容补充完整：

A ．将一根橡皮筋的一端固定在贴有白纸的竖直平整木板上，在另一端绑上两根系有细绳套的细线．

B ．其中一根细线挂上5个质量相等的钩码(每个钩码质量均为50 g)，使橡皮筋拉伸，如图甲所示，记录 ________、结点的位置O 和细线方向．

C ．将图甲中钩码取下一个，并将细线用一光滑铁钉B (可随时固定)支开，在另一细线上挂上弹簧测力计，使两细线成一定角度，拉弹簧测力计，如图乙所示，图中α、β可测定，当cos αcos β＝34时，橡皮筋正好位于竖直方向且橡皮筋与细线结点的位置与步骤B 中结点的位置O 重合，此时弹簧测力计的示数应为 ________ N(当地重力加速度g ＝10 m/s 2)．

(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

【解析】 (1)由实验原理可知本实验利用等效替代法来验证“力的平行四边形定则”，图甲中钩码的重力即合力大小，细线方向即合力方向，所以应记录钩码的个数(细线上的拉力)、结点O 的位置和细线方向，在用钩码和弹簧测力计一起拉橡皮筋时，一定要将橡皮筋与细线结点的位置与步骤B 中结点的位置O 重合，此时应记录钩码个数、弹簧测力计示数及对应的细线方向，分析图乙中结点的受力情况可得水平方向有4mg cos α＝F cos β，代入数据得弹簧测力计的示数应为F ＝3mg ＝1.5 N.

(2)由(1)知是等效替代法．

【答案】 (1)钩码的个数(细线上的拉力) 1.5 (2)B 命题点2 考查实验操作

2．(2018·沈阳高三一模)某同学用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定

则”．弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M，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．分别读出弹簧测力计A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向．

(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为________N.

(2)下列不必要

．．．的实验要求是________.(请填写选项前对应的字母)

A．应测量重物M所受的重力

B．弹簧测力计应在使用前校零

C．拉线方向应与木板平面平行

D．改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置

(3)某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法．

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 【解析】(1)弹簧测力计读数为3.6 N.

(2)验证力的平行四边形定则，需要分别测量各个力的大小和方向，所以A项是必要的；根据仪器使用常识，弹簧测力计在使用前需校零，B项是必要的；实验中力必须在同一平面内，C项也是必要的；实验是验证三个力的关系，只要测出三个力就可以了，所以不需要固定O点位置，D项不必要，本题应选D项．

【答案】(1)3.6(2)D(3)①减小弹簧测力计B拉力的大小；②减小重物M的质量(或将弹簧测力计A更换成较大量程的弹簧测力计、改变弹簧测力计B拉力的方向等)

考点二实验数据处理与误差分析

实验数据处理与误差分析

3．(2017·课标卷Ⅲ，22)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)的纸贴在桌面上，如图(a)所示．将橡皮筋的一端Q固定在y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(b)所示，F的大小为________N.