實(shí)驗(yàn)三 驗(yàn)證力的平行四邊形定則

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

驗(yàn)證互成角度的兩個(gè)力合成時(shí)的平行四邊形定則.【實(shí)驗(yàn)原理】

一個(gè)力F′的作用效果和兩個(gè)力F1、F2的作用效果都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長(zhǎng)到同一點(diǎn),所以力

F′就是這兩個(gè)力F1和F2的合力,作出力F′的圖示.

再根據(jù)平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示,比較F和F′的大小和方向是否相同,若相同,則說明互成角度兩個(gè)力合成時(shí)遵循平行四邊形定則.實(shí)驗(yàn)三驗(yàn)證力的平行四邊形定則要點(diǎn)歸納【實(shí)驗(yàn)器材】

方木板一塊、白紙、彈簧測(cè)力計(jì)(兩只)、橡皮條、細(xì)繩套(兩個(gè))、三角板、刻度尺、圖釘(幾個(gè))、細(xì)芯鉛筆.【實(shí)驗(yàn)步驟】1.用圖釘把白紙釘在水平桌面上的方木板上.并用圖釘把橡皮條的一端固定在A點(diǎn),橡皮條的另一端拴上兩個(gè)細(xì)繩套.2.用兩只彈簧測(cè)力計(jì)分別鉤住細(xì)繩套，互成角度地拉像皮條,使橡皮條伸長(zhǎng)到某一位置O,如圖1所示,

記錄兩彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù),用鉛筆描下O點(diǎn)的位置及此時(shí)兩細(xì)繩套的方向.

圖13.只用一只彈簧測(cè)力計(jì)通過細(xì)繩套把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到同樣的位置O,記下彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)和細(xì)繩套的方向.4.用鉛筆和刻度尺從結(jié)點(diǎn)O沿兩條細(xì)繩套方向畫直線,按選定的標(biāo)度作出這兩只彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F1和

F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺作平行四邊形,過O點(diǎn)畫平行四邊形的對(duì)角線，此對(duì)角線即為合力F的圖示.5.用刻度尺從O點(diǎn)按同樣的標(biāo)度沿記錄的方向作出只用一只彈簧測(cè)力計(jì)的拉力F′的圖示.6.比較一下,力F′與用平行四邊形定則求出的合力F

的大小和方向是否相同.

白紙釘在木板處,兩秤同拉有角度,讀數(shù)畫線選標(biāo)度,再用一秤拉同處,作出力的矢量圖.錦囊妙訣交流與思考每次實(shí)驗(yàn)都必須保證結(jié)點(diǎn)的位置保持不變,這體現(xiàn)了怎樣的物理思想方法？若兩次橡皮條的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度相同,能否驗(yàn)證平行四邊形定則？每次實(shí)驗(yàn)保證結(jié)點(diǎn)位置保持不變,是為了使合力的作用效果與兩個(gè)分力共同作用的效果相同，這是物理學(xué)中等效替換的思想方法.由于力不僅有大小,還有方向，若兩次橡皮條的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度相同但結(jié)點(diǎn)位置不同，說明兩次效果不同,不滿足合力與分力的關(guān)系,不能驗(yàn)證平行四邊形定則.提示【誤差分析】

1.用兩個(gè)測(cè)力計(jì)拉橡皮條時(shí),橡皮條、細(xì)繩和測(cè)力計(jì)不在同一個(gè)平面內(nèi),這樣兩個(gè)測(cè)力計(jì)的水平分力的實(shí)際合力比由作圖法得到的合力小.2.結(jié)點(diǎn)O的位置和兩個(gè)測(cè)力計(jì)的方向畫得不準(zhǔn),造成作圖的誤差.3.兩個(gè)分力的起始夾角α太大,如大于120°,再重做兩次實(shí)驗(yàn)，為保證結(jié)點(diǎn)O位置不變（即保證合力不變),則α變化范圍不大，因而測(cè)力計(jì)示數(shù)變化不顯著,讀數(shù)誤差大.4.作圖比例不恰當(dāng)造成作圖誤差.交流與思考實(shí)驗(yàn)時(shí)由作圖法得到的合力F和單個(gè)測(cè)力計(jì)測(cè)量的實(shí)際合力F′忘記標(biāo)注而造成錯(cuò)亂,你如何加以區(qū)分?

由彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量合力時(shí)必須使橡皮筋伸直,所以與AO共線的合力表示由單個(gè)測(cè)力計(jì)測(cè)量得到的實(shí)際合力F′，不共線的合力表示由作圖法得到的合力F.提示【注意事項(xiàng)】1.不要直接以橡皮條端點(diǎn)為結(jié)點(diǎn),可拴一短細(xì)繩連兩細(xì)繩套,以三繩交點(diǎn)為結(jié)點(diǎn),應(yīng)使結(jié)點(diǎn)小些,以便準(zhǔn)確地記錄結(jié)點(diǎn)O的位置.2.使用彈簧秤前，應(yīng)先調(diào)節(jié)零刻度，使用時(shí)不超量程,拉彈簧秤時(shí),應(yīng)使彈簧秤與木板平行.3.在同一次實(shí)驗(yàn)中,橡皮條伸長(zhǎng)時(shí)的結(jié)點(diǎn)位置要相同.4.被測(cè)力的方向應(yīng)與彈簧測(cè)力計(jì)軸線方向一致,拉動(dòng)時(shí)彈簧不可與外殼相碰或摩擦.5.讀數(shù)時(shí)應(yīng)正對(duì)、平視刻度.6.兩拉力F1和F2夾角不宜過小,作力的圖示,標(biāo)度要一致.

如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究?jī)闪狭﹄S角度的變化規(guī)律？如何觀察合力的變化規(guī)律？保持兩力的大小不變,改變兩力之間的夾角,使兩力的合力發(fā)生變化,可以通過觀察結(jié)點(diǎn)的位置變化,判斷合力大小的變化情況,結(jié)點(diǎn)離固定點(diǎn)越遠(yuǎn),說明兩力的合力越大.交流與思考提示【例1】

在做“互成角度的兩個(gè)力的合成”實(shí)驗(yàn)時(shí),橡皮條的一端固定在木板上,用兩個(gè)彈簧秤把橡皮條的另一端拉到某一確定的O點(diǎn),以下操作中錯(cuò)誤的是

()A.同一次實(shí)驗(yàn)過程中,O點(diǎn)位置允許變動(dòng)

B.實(shí)驗(yàn)中,彈簧秤必須與木板平行,讀數(shù)時(shí)視線要正對(duì)彈簧秤刻度

C.實(shí)驗(yàn)中,先將其中一個(gè)彈簧秤沿某一方向拉到最大量程,然后只需調(diào)節(jié)另一彈簧秤拉力的大小和方向,

把橡皮條另一端拉到O點(diǎn)

D.實(shí)驗(yàn)中,把橡皮條的另一端拉到O點(diǎn)時(shí),兩彈簧秤之間夾角應(yīng)取90°,以便于算出合力的大小典例剖析思路點(diǎn)撥

(1)該實(shí)驗(yàn)中怎樣使合力與分力產(chǎn)生的效果相同?(2)實(shí)驗(yàn)操作中要注意哪些問題?解析

從橡皮條固定點(diǎn)到O點(diǎn)的連線方向,是合力的作用線方向,如果O點(diǎn)變動(dòng),那么合力的大小、方向都要變化，就不能驗(yàn)證力的平行四邊形定則,故A選項(xiàng)錯(cuò).C選項(xiàng)中,因一個(gè)彈簧秤已拉到最大量程,再通過另一個(gè)彈簧秤拉橡皮條到O點(diǎn)時(shí),另一個(gè)彈簧秤可能超過最大量程,造成損壞,或讀數(shù)不準(zhǔn),故C選項(xiàng)錯(cuò).互成角度的兩個(gè)力的合成,是利用平行四邊形定則合成的,兩個(gè)分力成任意角度都適用,不必成90°角,故D選項(xiàng)錯(cuò).答案

ACD

【例2】將橡皮筋的一端固定在A點(diǎn),另一端拴上兩根細(xì)繩,每根細(xì)繩分別連著一個(gè)量程為5N、最小刻度

為0.1N的彈簧測(cè)力計(jì).沿著兩個(gè)不同的方向拉彈簧測(cè)力計(jì).當(dāng)橡皮筋的活動(dòng)端拉到O點(diǎn)時(shí),兩根細(xì)繩相互垂直,如圖2所示.這時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)可從圖中讀出.

圖2(1)由圖可讀得兩個(gè)相互垂直的拉力的大小分別為___N和______N.(2)在圖3所示的方格紙上按作圖法的要求畫出這兩個(gè)力及它們的合力.

圖3(3)圖4(A)(B)兩圖是兩位同學(xué)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中哪一個(gè)圖符合實(shí)際?若合力測(cè)量值F′是準(zhǔn)確的，則F與F′有誤差的原因可能是哪些?

圖4

(1)讀數(shù)時(shí)要符合有效數(shù)字的要求.(2)合理選取標(biāo)度,作出兩分力,再應(yīng)用平行四邊形定則作出合力.(3)F′是用一個(gè)測(cè)力計(jì)拉橡皮條所得到的,應(yīng)在什么方向上?解析

(1)彈簧測(cè)力計(jì)的最小刻度為0.1N,讀數(shù)時(shí)應(yīng)估讀一位,所以讀數(shù)分別為2.50N和4.00N.思路點(diǎn)撥(2)取一個(gè)小方格的邊長(zhǎng)表示0.50N,作出兩個(gè)力及它們的合力.(3)F′是用一個(gè)測(cè)力計(jì)拉橡皮條所得到的,其方向一定在橡皮條所在直線上,所以B圖符合實(shí)際,誤差的原因主要是彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)誤差,確定分力方向不夠準(zhǔn)確等原因.答案

(1)2.504.00(2)見解析圖(3)B圖誤差原因見解析

【例3】請(qǐng)不用彈簧秤,只用三條相同的橡皮條、四個(gè)圖釘、一把直尺和一支鉛筆、三張白紙、平木板來驗(yàn)證平行四邊形法則.

解析僅用橡皮條也可驗(yàn)證平行四邊形定則,其步驟、方法如下:(1)將三條橡皮條的一端都拴在一個(gè)圖釘O上,將這三條橡皮條的另一端分別再拴一個(gè)圖釘A、B、C,注意此時(shí)四個(gè)圖釘均未固定在板上,如右圖所示.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)(2)用直尺測(cè)出橡皮條的自由長(zhǎng)度L0,注意從圖釘腳之間測(cè)起.(3)將拴有橡皮條的圖釘A、B適當(dāng)張開釘在木板上，拉第三根橡皮條C,即使三條橡皮條互成角度拉伸,待節(jié)點(diǎn)處的圖釘O靜止時(shí),釘下C圖釘,并記錄圖釘O的位置(注意此時(shí)O圖釘不能釘)記錄圖釘A、B、C的位置.(此時(shí)圖釘有孔,不需鉛筆)(4)測(cè)出這三條橡皮的長(zhǎng)度L1、L2、L3,分別算出它們的伸長(zhǎng)量X1=L1-L0,X2=L2-L0,X3=L3-L0.(5)將X1、X2、X3按一定比例圖示出來,以X1、X2為鄰邊作平行四邊形,求出其對(duì)角線OC′.比較OC′與OC的長(zhǎng)度(即X3的長(zhǎng)度),如果相等,且在一條直線上,則達(dá)到目的.若OC′與OC有一微小夾角θ,則有誤差(如上圖所示).本實(shí)驗(yàn)是根據(jù)圖釘O受到三個(gè)平面共點(diǎn)力而靜止.任意兩個(gè)力的合力與第三個(gè)力大小相等方向相反的原理.答案

見解析

1.在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中,某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)情況如圖5甲所示，其中A為固定橡皮條的圖釘,O為橡皮條與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn),OB和OC為細(xì)繩.(1)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()素能提升A.圖乙中的F是力F1和F2合力的理論值,F′是力F1和

F2合力的實(shí)際測(cè)量值B.圖乙的F′是力F1和F2合力的理論值,F是力F1和

F2合力的實(shí)際測(cè)量值C.在實(shí)驗(yàn)中,如果將細(xì)繩也換成橡皮條,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)繩也換成橡皮條,那么對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響

圖5(2)本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是______(填字母代號(hào))A.理想實(shí)驗(yàn)法B.等效替代法C.控制變量法D.建立物理模型法解析

(1)從圖乙中可以看出,F′是根據(jù)平行四邊形定則作出的理論值,F為合力的實(shí)際測(cè)量值;本實(shí)驗(yàn)用兩個(gè)彈簧秤拉像皮條和一個(gè)彈簧秤拉橡皮條效果相同,都使結(jié)點(diǎn)O到達(dá)同一位置,至于OB、OC是細(xì)繩還是橡皮條則沒有關(guān)系,故B、C正確.(2)本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是等效替代法,B項(xiàng)正確.

答案

(1)BC(2)B2.在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”中,采取下列哪些方法和步驟可減小實(shí)驗(yàn)誤差()A.兩個(gè)分力F1、F2間的夾角要適當(dāng)大些

B.兩個(gè)分力F1、F2的大小要適當(dāng)大些

C.拉橡皮條的細(xì)繩要稍長(zhǎng)一些

D.實(shí)驗(yàn)前先把兩個(gè)彈簧秤的鉤子互相鉤住,平放在桌子上,向相反方向拉動(dòng),檢查讀數(shù)是否相同ABCD3.某同學(xué)在做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中,主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:A.在桌面上放一塊木板,在木板上鋪一張白紙,用圖釘把白紙釘在木板上

B.用圖釘把橡皮條的一端固定在木板上的A點(diǎn)，在橡皮條的另一端拴上兩條細(xì)繩,細(xì)繩的另一端打成繩套

C.用兩個(gè)彈簧秤分別勾住繩套,平行于木板且互成角度地拉橡皮條,把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到某一位置O,記錄下O點(diǎn)的位置和兩條細(xì)繩的方向，讀出兩個(gè)彈簧秤的示數(shù)D.按選好的比例,用鉛筆和刻度尺作出兩個(gè)彈簧秤的拉力F1和F2的圖示,并用平行四邊形定則求出合力FE.只用一個(gè)彈簧秤,通過細(xì)繩套拉橡皮條使其伸長(zhǎng),讀出彈簧秤的示數(shù),記下細(xì)繩的方向，按同一比例作出這個(gè)力F′的圖示F.比較力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)有重要遺漏的步驟序號(hào)是____________;(2)遺漏的內(nèi)容是_________________________.解析本實(shí)驗(yàn)的基本思想是“等效替代”,用一個(gè)彈簧秤拉橡皮條和兩個(gè)彈簧秤拉的效果相同,所以要把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到同一位置O點(diǎn).答案

(1)E(2)E中未說明是否把橡皮條的結(jié)點(diǎn)拉到了O點(diǎn)4.在做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中，在水平放置的木板上墊一張白紙,把橡皮條的一端固定在A點(diǎn)上,另一端連接兩根細(xì)線,然后通過細(xì)線用兩個(gè)互成角度的彈簧秤來拉橡皮條,使橡皮條伸長(zhǎng)到某一點(diǎn)O,此時(shí)需記錄下：

(1)________________________________________,(2)________________________________________,(3)________________________________________.

然后改用一個(gè)彈簧秤把橡皮條拉到O點(diǎn)后再記錄下：

(4)________________________________________,(5)________________________________________.(6)如圖6所示,是該同學(xué)完成驗(yàn)證力的平行四邊形定則實(shí)驗(yàn)操作后得到的數(shù)據(jù)圖,請(qǐng)選好比例在方框中作圖完成該同學(xué)未完成的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.

圖6解析作圖象時(shí)以O(shè)點(diǎn)為起點(diǎn)作F1、F2、F′的圖示,且要按同一比例；要用三角板和刻度尺規(guī)范地作出平行四邊形.答案

(1)兩彈簧秤的讀數(shù)(2)結(jié)點(diǎn)O的位置(3)兩細(xì)線的方向(4)彈簧秤的讀數(shù)(5)細(xì)線的方向(6)見解析圖5.小明同學(xué)在學(xué)完力的合成與分解后,想在家里做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證力的平行四邊形定則.他從學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室里借來兩只彈簧測(cè)力計(jì),按如下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn).A.在墻上貼一張白紙用來記錄彈簧彈力的大小和方向

B.在一只彈簧測(cè)力計(jì)的下端懸掛一裝滿水的水杯,

記下靜止時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)F.C.將一根大約30cm長(zhǎng)的細(xì)線從紙帶中穿過，再將細(xì)線兩端拴在兩只彈簧測(cè)力計(jì)的掛鉤上.在靠近白

紙?zhí)幱檬謱?duì)稱地拉開細(xì)線,使兩只彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)

相等，在白紙上記下細(xì)線的方向和彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù).如圖7甲所示.D.在白紙上按一定標(biāo)度作出兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的彈力的圖示,如圖乙所示,根據(jù)力的平行四邊形定則可求出這兩個(gè)力的合力F′.

圖7(1)在步驟C中,彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)為______N.(2)在步驟D中,合力F′=________N.(3)若_______________________________________,就可以驗(yàn)證力的平行四邊形定則.答案

(1)3.00(2)5.2±0.2(3)F′近似在豎直方向,且數(shù)值與F近似相等一、等效替代法解讀1.等效替代法解讀等效替代法是把復(fù)雜的物理現(xiàn)象、物理過程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象、物理過程來研究和處理的一種科學(xué)思想方法,它是物理實(shí)驗(yàn)的一種重要方法.2.操作方法具體來說,等效替代法在實(shí)驗(yàn)中,就是用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的已知量替代被測(cè)量,并調(diào)整此標(biāo)準(zhǔn)量,使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)恢復(fù)到代替前的狀態(tài),則被測(cè)量等于標(biāo)準(zhǔn)量；或者實(shí)驗(yàn)講座等效替代法

另辟蹊徑,選用別的實(shí)驗(yàn)器材和方法來替代難以測(cè)量的物理量.3.注意事項(xiàng)

(1)在應(yīng)用等效替代法時(shí),一定要注意等效性的準(zhǔn)確把握.(2)在進(jìn)行替代時(shí)和未進(jìn)行替代時(shí)要有相同的效果.(3)測(cè)量時(shí)盡管變得簡(jiǎn)單實(shí)用，但也要注意誤差的減小.二、等效替代法的應(yīng)用1.在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中,利用橡皮條伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度相同,來保證合力與分力的等效性.2.在“電阻的測(cè)量”實(shí)驗(yàn)中,可以利用電阻箱來代替待測(cè)電阻,若效果相同,則電阻箱的阻值即為待測(cè)電阻的阻值.【例1】在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)中,需要將橡皮條的一端固定在水平木板上,另一端系上兩根細(xì)繩,細(xì)繩的另一端都有繩套,如圖1所示,實(shí)驗(yàn)中需用兩個(gè)彈簧秤分圖1

別勾住繩套,并互成角度地拉橡皮條