实验4 验证力的平行四边形定则

2021·02高中物理中，运动学、力学、电场、磁场等模块都应用到了矢量运算法则，而高中生首次探究矢量运算法则便是在验证力的平行四边形定则实验中，学生通过实验探究得到结论与理论结果的吻合度如何，对矢量运算法则的理解和后续在其他模块中的应用都有着至关重要的影响。

文章分析了传统实验操作过程中存在的诸多偶然误差，并针对性地提出了相应的创新方案，使得实验结果精确度得到了极大提升。

摘要关键词力的平行四边形定则；创新实验方案；设计“验证力的平行四边形定则”创新实验方案的设计李铮（福安第一中学，福建福安355000）“验证力的平行四边形定则”实验是矢量运算法则在高中物理中的首次应用，学生掌握好力的平行四边形定则，对之后位移、速度、加速度、电场强度、磁场强度等矢量的类比学习有着至关重要的作用。

［1］然而，在该实验中学生通过教材中的传统实验方案探究所得的实验结果却不尽如人意，存在误差比较大或实验结果说服力不够强等不足。

本文的创新实验设计就实验误差进行分析，并通过利用自制教具等设计相应的创新实验方案，低误差完成实验目的的同时，促进了学生对矢量运算法则的深度理解。

一、实验改进的背景“验证力的平行四边形定则”传统实验方案得出的实验结果在实验说服力和理论、实际数据的吻合度上均并不理想。

图1的演示实验方案存在的不足是定滑轮两侧所挂的钩码数只能去一些特殊组合，图2的实验演示方案同样也要求每条细绳下所挂钩码的个数只能取例如3个、4个、5个钩码等特殊组合。

以上两种方案中的实验装置在挂钩码时都不具备任意性，无法随意改变力的大小和方向,从而导致学生对平行四边形定则成立的普遍适用性产生很大质疑，甚至还会认为实验结果都是巧合，造成实验结果的说服力不强。

图3是教材中的传统学生分组实验方案，由于弹簧测力计精度较低（分度值为0.1N ）、学生读取弹力的大小、描点确定力的方向、画力的图示、作力的平行四边形、标度选择不合适、两个力的夹角大小选择等诸多方面的都存在误差，导致大多数学生通过探究得出的实验结果不尽理想，误差较大，说服力不强，很难达到验证力的平行四边形定则成立的目的。

课题：验证力的平行四边形定则班级___________姓名_______________【实验目的】验证力的平行四边形定则.【实验原理】一个力F′的作用效果与两个共点力F1和F2的共同作用效果相同（都是把橡皮条在某一方向拉伸一定长度），所以F′为F1和F2的合力. 作出F′的图示，再根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F的图示，比较F′与F是否在实验误差允许范围内大小相等，方向相同.【实验器材】方木板、白纸、弹簧秤(两只)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(几个).【实验步骤】(1) 用图钉把白纸钉在方木板上.(2) 把方木板平放在桌面上，用图钉把橡皮条的一端固定在A点(如上图所示)橡皮条的另一端拴上两个绳套.(3) 用两只弹簧秤分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长到某一位置O. 用铅笔描下O点的位置和两条细绳套的方向，并记录弹簧秤的读数. 注意在使用弹簧秤的时候，要使它的弹簧与木板平面平行.(4) 用铅笔和刻度尺从力的作用点(位置O)沿着两条绳套的方向画直线，按选定的标度作这两只弹簧秤的拉力F1和F2图示，以F1和F2为邻边，利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，即为合力F的图示.(5) 只用一只弹簧秤，通过细绳把橡皮条的结点拉到同样位置O.记下弹簧秤的示数和细绳的方向，过O点按同一标度作出这个力F′的图示.(6) 比较力F′与用平行四边形定则求得的合力F的大小和方向，看它们是否在实验误差允许范围内相等.(7) 改变两个分力F1和F2的大小和夹角，再重复做两次实验.【注意事项】(1) 使用弹簧秤前，要先观察指针是否指在零刻度处，若指针不在零刻度处，要设法调整指针，使之指在零刻度处. 再将两个弹簧秤的挂钩钩在一起，向相反方向拉，如果两个示数相同方可使用.(2) 实验中的两只细绳套不要太短.(3) 在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同.(4) 在使用弹簧秤施拉力时，拉力应沿弹簧秤的轴线方向. 弹簧秤中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内. 要防止弹簧秤卡壳，防止弹簧秤或橡皮条与纸面有摩擦.(5) 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.【巩固提高】（ ）1．某同学在做“验证力的平行四边形定则”实验时，利用坐标纸记下了橡皮绳的结点位置O 以及两只弹簧秤拉力的大小和方向，如右图所示，试在图中作出无实验误差情况下橡皮绳此时的拉力图示，并用F 3表示该力。

验证力的平行四边形定则验证力的平行四边形定则【基础回顾】考点内容：验证力的平行四边形定则考纲解读：1.知道什么是等效替代法。

2.能用作图法验证互成角度的两个力合成时遵守平行四边形定则.★基本实验要求：1．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．2．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．3．实验步骤验证力的平行四边形定则（1）用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的木板上．（2）用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O.如实验原理图所示．（3）用铅笔描下结点O的位置和两个细绳套的方向，并记录弹簧测力计的读数，利用刻度尺和三角板根据平行四边形定则求出合力F.（4）只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面相同的位置O，记下弹簧测力计的读数F’和细绳的方向．（5）比较F’与用平行四边形定则求得的合力F，看它们在实验误差允许的范围内是否相等．★规律方法总结：1．正确使用弹簧测力计：（1）将两只弹簧测力计调零后水平互钩对拉过程中，读数相同，可选；若不同，应另换或调校，直至相同为止．（2）使用时，读数应尽量大些，但不能超出范围．（3）被测力的方向应与轴线方向一致．（4）读数时应正对、平视刻度．2．注意事项：（1）位置不变：在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同．（2）角度合适：用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°～100°之间为宜．（3）在合力不超出量程及在橡皮条弹性限度内形变应尽量大一些．细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．（4）统一标度：在同一次实验中，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．3．误差分析：（1）误差来源：除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等．（2）减小误差的办法：①实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，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，使表示两力的对边一定要平行.【基础达标】1、某同学用两个弹簧测力计、一根橡皮筋、细绳套、三角板及贴有白纸的方木板等器材，进行“验证力的平行四边形定则”的实验。

考点04 实验：验证力的平行四边形定则一、选择题1．(多选)在做“探究求合力的方法”的实验时，先用两个弹簧测力计拉橡皮条，再用一个弹簧测力计拉橡皮条，两次须使橡皮条的结点达到同一位置，这样做是为了()A．便于测量力的大小B．使两个分力和它的合力产生相同的效果C．使两个分力和它的合力有相同的作用点D．便于画出分力与合力的方向【答案】BC【解析】两次使橡皮条沿同一方向伸长相同的长度，表明第一次对橡皮条所加的两个力与第二次对橡皮条所加的一个力是等效力，其次，本实验是共点的两个力的合成，所以拉到同一位置也满足了共点的条件，故选B、C.2．(多选)在“探究求合力的方法”实验中，下列实验要求正确的是()A．弹簧测力计的拉力方向必须与木板平行B．两弹簧测力计的拉力方向必须相互垂直C．读数时，视线应正对弹簧测力计的刻度D．使用弹簧测力计时，不能超过其量程【答案】ACD【解析】实验中为了减小因摩擦造成的误差，要求在拉弹簧测力计时，要注意使弹簧测力计与木板平面平行，故A正确；两弹簧测力计的拉力方向不一定要垂直，只有拉到同一点即可，故B不正确；实验中拉力的大小可以通过弹簧测力计直接测出，读数时，视线应正对弹簧测力计的刻度，故C正确；使用弹簧测力计时，不能超过其量程，故D正确3．在“探究求合力的方法”的实验中，把橡皮条一端固定于P点，另一端通过细绳套连接两只弹簧秤，并使该端拉至O点，测得PO长为L，如图所示．则实验中()A．选取的细绳套适当长一些B．只需要记录弹簧秤的读数C．两根细绳套间的夹角尽可能大些D．改用一只弹簧秤拉橡皮条时，只需使橡皮条的长度仍为L【答案】A【解析】为了减小实验测量的误差，选取的细绳套应适当长一些，故A正确．实验中需记录弹簧秤的读数、拉力的方向以及结点O的位置，故B错误．为了减小测量的误差，两根细绳套间的夹角要适当大一些，不是越大越好，故C错误．为了产生相同的效果，改用一只弹簧秤拉橡皮条时，仍然要拉到同一结点，故D错误．4．(多选)在做“验证力的平行四边形定则”实验时，使用弹簧测力计必须注意()A．测量前检查弹簧测力计的指针是否指在零点B．测量前应把两弹簧测力计互相勾在一起并对拉，观察它们的示数是否相同，应选用示数相同的一对弹簧测力计C．在用弹簧测力计拉橡皮条时，外壳不要与纸面摩擦D．在用弹簧测力计拉橡皮条时，无需使弹簧测力计的弹簧与木板平面平行【答案】ABC【解析】A、B选项是为了读数准确，C可以保证准确的测出拉力的大小，在用弹簧测力计拉橡皮条时，必须使弹簧测力计的弹簧与木板平面平行5．在做“验证力的平行四边行定则”实验中，假如F1的大小及方向固定不变，那么为了使橡皮条仍然伸长到O点，对F2来说，下面几种说法中正确的是()A．F2可以有多个方向B．F2的方向和大小可以有多个值C．F2的方向和大小是惟一确定值D．F2的方向是惟一的，但大小可有多个值【答案】C【解析】因一个弹簧秤的拉力大小、方向不变，而橡皮筋伸长到O点，说明合力不变，则由平行四边形定则可知另一个力的大小和方向也惟一确定，故A、B、D错误，C正确．二、非选择题6．做“验证力的平行四边形定则”的实验时：(1)除已有的器材(方木板、白纸、细绳套、刻度尺、图钉和铅笔)外，还必须有________和____ ____．(2)要使两次合力与分力产生相同的效果，必须()A．每次将橡皮条结点拉到同样的位置B．每次把橡皮条拉直C．每次准确读出弹簧测力计的示数D．每次记准细绳的方向(3)在验证力的平行四边形定则实验中得到如下数据，请选择合适的标度在如下图方框中作图完成实验数据的处理．【答案】(1)弹簧测力计橡皮条(2)ACD(3)作图如下【解析】(1)做探究共点力合成的规律实验：我们是让两个力拉橡皮条和一个力拉橡皮条产生的作用效果相同，测出两个力的大小和方向以及一个力的大小和方向，用力的图示画出这三个力，用平行四边形做出两个力的合力的理论值，和那一个力进行比较．所以我们需要的实验器材有：方木板(固定白纸)，白纸(记录方向画图)、刻度尺(选标度)、细绳套(弹簧测力计拉橡皮条)、弹簧测力计(测力的大小)、图钉(固定白纸)、橡皮条(让力产生相同的作用效果的)．(2)要使每次合力与分力产生相同的效果，应每次将橡皮条拉到同样的位置，即用一个力与用两个力的作用效果相同，故B错误，A、C、D正确．(3)作图如下7．(1)在“验证力的平行四边形定则”实验中，用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使它伸长到某一位置O点，为了确定两个分力的大小和方向，这一步操作中必须记录的是________．A．橡皮条固定端的位置B．描下O点位置和两条细绳套的方向C．橡皮条伸长后的总长度D．两个弹簧测力计的读数(2)做实验时，根据测量结果在白纸上画出如下图所示的图，其中O为橡皮条与细绳套的结点．图中的________是F1和F2的合力的理论值；________是F1和F2的合力的实际测量值．【答案】(1)BD(2)F F′【解析】(1)两条细绳套的方向就是两分力的方向，记下O点位置和细绳套的方向就可以画出两分力的方向，两分力的大小由弹簧测力计直接读出．(2)根据平行四边形定则求出来的是理论值，实际测量值和理论值有误差．8.做“探究求合力的方法”的实验时：(1)除已有的器材(方木板、白纸、弹簧测力计、细绳套、刻度尺、图钉和铅笔)外，还必须有__ ______和________．(2)在做上述实验时，在水平放置的木板上垫上一张白纸，把橡皮条的一端固定在板上，另一端结两个细绳套，通过细绳用两个互成角度的弹簧测力计拉橡皮条，使结点移到某一位置O，此时需记下：①________；②________；③________.然后用一个弹簧测力计把橡皮条拉长，使结点到达________，再记下________．(3)在某次实验中，某同学的实验结果如图所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳结点的位置．图中________是力F1与F2的合力的理论值；________是力F1与F2的合力的实验值．通过把________和________进行比较，验证平行四边形定则．【答案】(1)三角板橡皮条(2)①O点位置②细绳所指方向③相应弹簧测力计读数同一位置O点弹簧测力计读数和细绳方向(3)F F′F F′【解析】实验中要记录橡皮条拉伸后O点的位置、弹簧测力计的读数及力的方向．9.小明和小红在探究“互成角度的两共点力的合力”时，讨论出一个探究方案并加以实施．以下是他们的实验过程：①小明用图钉将白纸钉在置于水平面上的木板上，小红用笔在白纸上标上标记O点．②小明用图钉将橡皮绳一端固定在木板上O点，在橡皮绳的末端系住两绳套．用两个弹簧测力计分别向左右斜上方拉，把橡皮绳的另一端拉至某一点，并记下该点为A点．③小红用笔在两弹簧测力计的钩子末端做下记号B和C，用尺画直线分别连接AB和AC并标上箭头，同时记录下两弹簧测力计的示数，即为两弹簧测力计拉力的方向和大小．④小明再次只用一个弹簧测力计钩住绳套，将橡皮绳的结点拉到步骤3中同样的A点位置，小红再次记下钩子末端位置D，连接线段AD标上箭头，同时记下弹簧测力计示数．⑤取下白纸，小红连接线段BD和CD，即认为F AD为F AB和F AC的合力．(如图)请你指出以上探究方案的错误之处(不少于三处)：(1)________________________________________________________________________；(2)________________________________________________________________________；(3)________________________________________________________________________．【答案】(1)拉弹簧测力计时用力方向应该与木板平面平行(2)力的大小应该用力的图示表示(3)求合力时应该用平行四边形定则(4)一个弹簧测力计的拉力方向与两个弹簧测力计的拉力的合力方向不一定相同(任选其三)【解析】拉细绳套时，弹簧测力计应与木板平行，且使其轴线方向与细绳套方向一致．先作出F1、F2的图示，再作平行四边形，对角线F和F1、F2的合力，用一个弹簧测力计拉时，也应作出拉力F′的图示，且它们用同一个标度．10.有两个大小不变的共点力F1和F2，它们合力的大小F合随两力夹角的变化情况如图所示，则两力的大小分别为多少？【答案】F1＝8 N F2＝4 N或F1＝4 N F2＝8 N【解析】当两力的夹角为0°时，F合＝F1＋F2，得F1＋F2＝12 N①当两力的夹角为180°时，得F1－F2＝4 N或F2－F1＝4 N②由①②两式得F1＝8 N、F2＝4 N或F1＝4 N、F2＝8 N.11．在电线杆的两侧用钢丝绳把它固定在地上，如图所示．如果钢丝绳与地面的夹角∠A＝∠B＝60°，每根钢丝绳的拉力都是300 N，求两根钢丝绳作用在电线杆上的合力．【答案】519.6 N，方向竖直向下【解析】先画出力的平行四边形，如图所示，由于OA＝OB，得到的是菱形．连结AB，两对角线垂直且平分，OA表示300 N，∠AOO′＝30°.在三角形OAO′中，OO′＝OA·cos 30°.在力的平行四边形中，各线段的长表示力的大小，则有＝F1·cos 30°，所以合力F＝2F1cos 30°＝2×300×N≈519.6 N12．如图所示，在水平地面上放一质量为1.0 kg的木块，木块与地面间的动摩擦因数为0.6，在水平方向上对木块同时施加相互垂直的两个拉力F1、F2，已知F1＝3.0 N，F2＝4.0 N，g取10 N/kg，则木块受到的摩擦力为多少？若将F2顺时针转90°，此时木块在水平方向上受的合力大小为多少？【答案】5.0 N 1.0 N【解析】由平行四边形定则可知，图中F1与F2的合力F＝＝5.0 N．若木块滑动时，木块受到的滑动摩擦力大小为F′＝μF N＝μmg＝6.0 N．由于F<F′，故木块处于静止状态，木块与地面间的摩擦力为静摩擦力，大小与F相等，即为5.0 N．当F2顺时针旋转90°时，F1与F2方向相同．它们的合力为F1＋F2＝7.0 N>6.0 N．此时木块运动受滑动摩擦力作用，木块受的合力为1.0 N13．有同学利用如图所示的装置来探究求合力的方法：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，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子的拉力F T OA、F T OB和F T OC，回答下列问题：(1)(多选)改变钩码个数，实验能完成的是()A．钩码的个数N1＝N2＝2，N3＝4B．钩码的个数N1＝N3＝3，N2＝4C．钩码的个数N1＝N2＝N3＝4D．钩码的个数N1＝3，N2＝4，N3＝5(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】(1)BCD(2)A(3)甲【解析】(1)对O点受力分析如图所示，OA、OB、OC分别表示F T OA、F T OB、F T OC的大小，由于三个共点力处于平衡，所以F T OA、F T OB 的合力大小等于F T OC，且F T OC<F T OA＋F T OB，即|F T OA－F T OB|<F T OC<F T OA＋F T OB，故B、C、D 能完成实验．(2)为探究求合力的方法，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的位置，其次要作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，应从力的三要素角度出发，要记录钩码的个数和记录OA、OB、OC三段绳子的方向，故A正确，B、C、D错误．(3)以O点为研究对象，F3的实际作用效果在OC这条线上，由于误差的存在，F1、F2的合力的理论值与实际值有一定偏差，故甲图符合实际，乙图不符合实际。

实验：验证力的平行四边形定则注意事项（三同一、三合适、四不要）(1)同一位置：在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同．(2)同一平面：应尽量使橡皮条、弹簧秤和细绳套位于与纸面平行的同一橡皮条平面内．(3)同一标度：在同一次实验中，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．(4)角度合适：用两个弹簧测力计拉橡皮条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°～100°为宜．(5)长度合适：细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。

(6)拉力合适：在合力不超出量程及在橡皮条弹性限度内弹力应尽量大一些．(7)四不要：橡皮条与纸面、弹簧与壳不要摩擦!两细绳套不必等长！夹角不要特殊、不要相等！拉力不要相等！实验考点总结作业1．在“验证力的平行四边形定则”实验中，需要将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一端系上两根细绳，细绳的另一端打好绳套，如图所示．实验中用两个弹簧秤分别勾住绳套，并互成角度地拉橡皮条，以下说法正确的是（）A．两根细绳必须等长B．橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上C．在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤拉力方向与木板平面平行，且弹簧秤中的弹簧不能与其外壳接触D．同一次实验中，O点位置允许变动E．实验中，先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后调节另一弹簧秤的拉力的大小和方向，把橡皮条的结点拉到O点2．(2014·长沙模拟)某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图实－2－3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。

图实－2－3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。