高中物理实验03 验证力的平行四边形定则(解析版)

实验三 验证力的平行四边形定则（解析版）

1.实验原理

等效思想:互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F'产生相同的作用效果,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同。

2.实验器材

方木板、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳及细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(多个)、铅笔。

3.实验步骤

(1)仪器安装

①用图钉把白纸钉在水平放置的方木板上。

②用图钉把橡皮条的一端固定在A点,如图所示,橡皮条的另一端拴上两个细绳套。

(2)测量与记录

①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。记录两弹簧测力计的读数F1、F2,用铅笔描下O点的位置及此时两细绳的方向。

②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F'和细绳的方向。

(3)换白纸,改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再重做两次实验。

4.数据分析

(1)用铅笔和刻度尺从力的作用点(位置O)沿着两绳的方向画直线,按选定的标度作出两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,利用刻度尺和三角板以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,即合力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。

5.注意事项

(1)位置不变:在同一次实验中,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°为宜。

(3)尽量减少误差

①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。

②细绳应适当长一些,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。

【典例1】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。

甲 乙

(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只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示,并用平行四边形定则画出合力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:

①有重要遗漏的步骤的序号是 和 ;

②上述步骤应做出的修改分别是 和 。 【解析】(1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向;而根据平行四边形定则作出的合力,由于误差的存在,不一定沿AO方向,故一定沿AO方向的是F'。

(2)一个力的作用效果与两个力的作用效果相同,它们的作用效果可以等效替代,故B项正确。

(3)①根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作规程可知,有重要遗漏的步骤的序号是C和E。

②在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”。

【答案】(1)F' (2)B (3)①C E ②C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”

【针对训练1】将橡皮条的一端固定在A点,另一端拴上两根细绳,每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计,沿着两个不同的方向拉弹簧测力计,当橡皮条的活动端拉到O点时,两根细绳相互垂直,如图甲所示。这时弹簧测力计的读数可从图中读出。

(1)由图甲可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为 N和 N。

(2)在如图乙所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力。

(3)图丙中a、b两图是两位同学得到的实验结果,其中哪一个图符合实际?若合力测量值F'是准确的,则F与F'有误差的原因可能是哪些?

【解析】(1)弹簧测力计的最小刻度为0.1 N,读数时应估读一位,所以读数分别为2.50 N和4.00 N。

(2)取一个小方格的边长表示0.50 N,作出两个力及它们的合力如图丁所示。

(3)F'是用一个测力计拉橡皮条所得到的,其方向一定在橡皮条所在的直线上,所以b图符合实际。产生误差的原因有弹簧测力计读数偏差、确定分力方向不够准确等。

【答案】(1)2.50 4.00(或4.00 2.50) (2)如图丁所示

(3)b图 弹簧测力计读数偏差,分力方向确定不够准确等

【典例2】某同学在做“验证力的平行四边形定则”实验过程中,将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上带有绳套的两根细绳,实验时,需要两次拉伸橡皮条,一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条。

(1)关于两次拉伸橡皮条,下列说法正确的是( )。

A.两次拉伸橡皮条,只要保证橡皮条的形变量相同即可

B.两次拉伸橡皮条后,只需要记录弹簧秤的示数

C.拉伸橡皮条的过程,弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行

D.用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条时,细绳的夹角越大越好

(2)某次用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条,最后读数时,弹簧秤的示数如图甲所示,则弹簧秤a的示数为

N,弹簧秤b的示数为 N,将测得的数值在右侧的坐标纸上根据所给的标度,作出两个力的图示(两个力的方向已确定),并从理论上得到两个力的合力F为 N。

【解析】(1)两次拉伸橡皮条,不仅要保证橡皮条的形变量相同,还要保证橡皮条与绳的结点被拉到同一点,A项错误;两次拉伸橡皮条后,不仅需要记录弹簧秤的示数,还要记录拉绳的方向,B项错误;拉伸橡皮条的过程,要减小测拉力的误差,弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行,C项正确;用两个弹簧互成角度地拉橡皮条时,细绳的夹角不能太大,也不能太小,D项错误。

(2)由于弹簧秤的最小精度为0.1 N,因此两个弹簧秤的读数分别为2.50 N和4.00 N,作力的平行四边形,如图丙所示,得到合力的理论值F为5.00 N。

【答案】(1)C (2)2.50 4.00 如图丙所示 5.00(4.90~5.10均可)

【针对训练2】一同学用电子秤、水壶、细线、墙钉和贴在墙上的白纸等物品,在家中验证力的平行四边形定则。

(1)如图甲,在电子秤的下端悬挂一装满水的水壶,记下水壶 时电子秤的示数F。

(2)如图乙,将三细线L1、L2、L3的一端打结,另一端分别拴在电子秤的挂钩、墙钉A和水壶杯带上,水平拉开细线L1,在白纸上记下结点O的位置、 和电子秤的示数F1。

(3)如图丙,将另一颗墙钉B钉在与O同一水平位置上,并将L1拴在其上,手握电子秤沿着(2)中L2的方向拉开细线L2,使 和三根细线的方向与(2)中重合,记录电子秤的示数F2。

(4)在白纸上按一定标度作出电子秤拉力F、F1、F2的图示,根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F'的图示,若 ,则平行四边形定则得到验证。

【解析】(1)要测量装满水的水壶的重力,需记下水壶静止时电子秤的示数F。

(2)要画出平行四边形,则需要记录分力的大小和方向,所以还要记录三细线的方向。

(3)已经记录了一个分力的大小,还要记录另一个分力的大小,则结点O位置不能变化,力的方向也都不能变化,所以应使结点O的位置和三根细线的方向与(2)中重合。

(4)若F和F'在误差允许范围内重合,则验证了平行四边形定则。

【答案】(1)静止(或稳定、平衡、不动) (2)三细线的方向 (3)结点O的位置 (4)F'与F的图示在误差范围内重合

【典例3】在“探究求合力的方法”实验中,现有木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一把弹簧秤。

(1)为完成实验,某同学另找来一根弹簧,先测量其劲度系数,得到的实验数据如下表:

弹力F/N 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

3.50

伸长量x/

(×10-2 m) 0.74 1.80 2.80

3.72 4.60 5.58 6.42

用作图法求得该弹簧的劲度系数k= N/m。

(2)某次实验中,弹簧秤的指针位置如图甲所示,其示数为 N,同时利用(1)中结果获得弹簧上的弹力值为2.50 N,请画出这两个共点力的合力F合。

甲

(3)由图得到F合= N。

【解析】(1)以水平方向为x轴,竖直方向为F轴,建立直角坐标系,然后找点,选尽可能多的点连成一条线,如图乙所示,其图线的斜率即弹簧的劲度系数k,k=3.26×10-2 N/m≈53 N/m。

乙

(2)弹簧的读数为2.10 N,选标度作出合力的图示如图丙所示。

丙

(3)经测量得F合=3.3 N。

【答案】(1)如图乙所示 53 (2)2.10 如图丙所示

(3)3.3

【针对训练3】某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验,所用器材有:方木板一块,白纸,量程为5 N的弹簧测力计两个,橡皮条(带两个较长的细绳套),刻度尺,图钉(若干个)。

(1)具体操作前,同学们提出了如下关于实验操作的建议,其中正确的有

。

A.橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上

B.重复实验再次进行验证时,结点O的位置可以与前一次不同

C.使用测力计时,施力方向应沿测力计轴线;读数时视线应正对测力计刻度

D.用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计的拉力

(2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验,白纸上留下的标注信息有结点位置O、力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点,如下图所示。其中对于提高实验精度最有利的是 。

A B C D

【解析】(1)两绳套拉力的合力不一定沿角平分线,A项错误。同一次实验,用一绳套拉橡皮条和用两绳套拉橡皮条结点O的位置相同,不同次实验结点O的位置可以不同,B项正确。为减小摩擦和误差,施力方向沿测力计轴线,读数时视线正对测力计刻度,C项正确。合力可以比分力大,也可以比分力小,D项错误。

(2)为了提高实验精度,测力计读数应尽可能大一些,标注细线方向的两点离结点应尽可能远一些,标度应尽可能小一些。故选B。

【答案】(1)BC (2)B