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2013届高三人教版物理一轮复习实验专题导学案(3)验证力的平行四边形定则

时间:2013-05-07


实验三 验证力的平行四边形定则

一、实验目的 验证力的平行四边形定则. 二、实验原理 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,所以力 F′就是这两个力 F1 和 F2 的合力.作出力 F′的图示,再根据平行四边形定则作出 力 F1 和 F2 的合力 F 的图示,比较 F 和 F′的大小和方向是否都相同

,若相同,则说明互成角度 的两个力合成时遵循平行四边形定则. 三、实验器材 方木板,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),细芯 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 1 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套的方向. 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 沿两细绳套方向画直线,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只用一只弹簧测力计时的拉力 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、误差分析 1.读数误差 减小读数误差的方法:选择相同的弹簧测力计并调整好零刻度;弹簧测力计数据在允许的情况 下,尽量大一些,读数时眼睛一定要正视,要按有效数字正确读数和记录. 2.作图误差 减小作图误差的方法:作图时要画准结点 O 的位置和两个测力计的方向.两个分力 F1、F2 间的 夹角越大,用平行四边形定则作出的合力 F 的误差 ΔF 就越大,所以实验时不要把 F1、F2 间的夹 角取得太大;作图比例要恰当. 七、注意事项 1.在同一次实验中,使橡皮条拉长时,结点 O 位置一定要相同. 2.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° ~90° 之间 图1

为宜. 3.读数时应注意使弹簧测力计与木板平行,并使细绳套与弹簧测力计的轴线在同一条直线上,避免 弹簧测力计的外壳和弹簧测力计的限位孔之间有摩擦.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. 4.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. 5.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. 记忆口诀 结点位置 O 确定,两绳夹角要适中. 力秤木板要平行,眼睛读数垂直秤. 细绳套应适当长,铅笔两点定方向. 画力标度要适当,不然误差要粗放

例 1 (2011· 江苏单科· 某同学用如图 2 所示的实验装置来验证 “力 10) 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________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. 例 2 如图 3 所示,某同学在家中尝试验证平行四边形定则,他找到三条相同的橡 皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物,以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉 子,设计了如下实验:将两条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子 A、B 上,另 一端与第三条橡皮筋连接, 结点为 O, 将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物. (1)为完成该实验,下述操作中必需的是________. a.测量细绳的长度 b.测量橡皮筋的原长 c.测量悬挂重物后橡皮筋的长度 d.记录悬挂重物后结点 O 的位置 (2) 钉 子 位 置 固 定 , 欲 利 用 现 有 器 材 , 改 变 条 件 再 次 验 证 , 可 采 用 的 方 法 是 ________________________________. 图3 图2

6.等效法和作图法 例 3 在验证力的平行四边形定则的实验中,根据实验数据画出力的 图示,如图 4 所示.图上标出了 F1、F2、F、F′四个力,其中 ________(填上述字母)不是由弹簧秤直接测得的;若 F 与 F′的 __________基本相等, ________基本相同, 说明力的平行四边形定 则得到了验证. 例 4 某同学在坐标纸上画出了如图 5 所示的两个已知力 F1 和 F2,图中小正方形的边长表 示 2 N,两力的合力用 F 表示,F1、F2 与 F 的夹角分别为 θ1 和 θ2,下列关于 F1、F2、F、θ1、θ2 之间的关系正确的是 A.F1=4 N C.θ1=45° ( )

B.F=12 N D.θ1<θ2

方法提炼 验证力的平行四边形定则实验中的等效法和作图法 等效法是指两个弹簧秤同时拉橡皮筋使橡皮筋产生的形变与一个弹簧秤单独拉橡皮筋产生的形变 相同. 应使两个弹簧秤拉橡皮筋时结点的位置与一个弹簧秤拉橡皮筋时结点的位置是同一个位置. 作图法是用来验证两个弹簧秤拉力的合力与单个弹簧秤拉力的大小、方向是否相同的,反映在图 上就是两力是否重合.在实验中的体现是:先选定标度作出两个力的图示,依据平行四边形作出 对角线,然后再根据同样标度作出一个弹簧秤拉时力的图示(两个弹簧秤拉橡皮筋时结点的位置与 一个弹簧秤拉橡皮筋时结点的位置相同),看两个力的图示是否重合. 跟踪训练 在“验证力的平行四边形定则”的实验中,某同学的实验情况如图 6 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6 (1)图乙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示,下列说法中正确的是 ( ) A.图乙中的 F 是力 F1 和 F2 合力的理论值,F′是力 F1 和 F2 合力的实际测量值 B.图乙中的 F′是力 F1 和 F2 合力的理论值,F 是力 F1 和 F2 合力的实际测量值 C.在实验中,如果将细绳也换成橡皮条,那么对实验结果没有影响 D.在实验中,如果将细绳也换成橡皮条,那么对实验结果有影响 (2)本实验采用的科学方法是________(填字母代号) A.理想实验法 C.控制变量法 B.等效替代法 D.建立物理模型法

1.对于验证力的平行四边形定则的实验,某同学有以下认识: A.实验中两个分力的夹角取得越大越好 B.细绳以及弹簧秤所在平面必须与木板平行 C.拉橡皮条的细绳要长些,用铅笔画出两个定点的位置时,应使这两个点的距离尽量远些 D.作图要用细芯铅笔,图的比例要尽量大些,要用严格的几何作图法作出平行四边形,图旁要 画出表示力的比例线段,且注明每个力的大小和方向 以上操作可以减小误差的是________. 2.(2010· 天津理综· 9(2))在探究求合力的方法时,先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)实验对两次拉伸橡皮条的要求中,下列哪些说法是正确的________(填字母代号). A.将橡皮条拉伸相同长度即可 B.将橡皮条沿相同方向拉到相同长度 C.将弹簧秤都拉伸到相同刻度 D.将橡皮条和绳的结点拉到相同位置 (2)同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益的说法是________(填字母代号). A.两细绳必须等长 B.弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行 C.用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大 D.拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些 3.“验证力的平行四边形定则”实验中 (1)部分实验步骤如下,请完成有关内容: 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,另一端拴上两根细线. B. 其中一根细线挂上 5 个质量相等的钩码, 使橡皮筋拉伸, 如图 7 甲所示, 记录: _____________、 _ ______________、__________________. C.将步骤 B 中的钩码取下,分别在两根细线上挂上 4 个和 3 个质量相等的钩码,用两光滑硬棒 B、C 使两细线互成角度,如图乙所示,小心调整 B、C 的位置,使 ____________________________,记录__________________________.

图7 (2)如果“力的平行四边形定则”得到验证,那么图乙中 cos α∶cos β=________.

4.小明同学在学完力的合成与分解后,想在家里做实验验证力的平行四边形定则.他从学校的实验 室里借来两只弹簧测力计,按如下步骤进行实验: A.在墙上贴一张白纸用来记录弹簧弹力的大小和方向. B.在一只弹簧测力计的下端悬挂一装满水的水杯,记下水杯静止时弹簧测力计的读数 F. C.将一根大约 30 cm 长的细线从杯带中穿过,再将细线两端拴在两只弹簧测力计的挂钩上.在 靠近白纸处用手对称地拉开细线,使两只弹簧测力计的读数相等,在白纸上记下细线的方向 和弹簧测力计的读数.如图 8 甲所示.

图8 D.在白纸上按一定标度作出两个弹簧测力计的弹力的图示,如图乙所示,根据力的平行四边形 定则可求出这两个力的合力 F′. (1)在步骤 C 中,弹簧测力计的读数为________N. (2)若______________________,就可以验证力的平行四边形定则.

答案
课堂探究 例1 例2 (1)3.6 (2)D (3)①减小弹簧测力计 B 的拉力;②减小重物 M 的质量(或将 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) (1)bcd (2)更换不同的小重物 [F1= 42+42 N=4 (2)B 2 N,F2= 42+82 N=4 5 N.据题图可知 F1、F2 的竖直分量 例 3 F′ 大小 方向 例 4 BC 抵消,故合力必定沿水平方向,F=4 N+8 N=12 N,θ1=45° 1>θ2,B、C 对.] ,θ 跟踪训练 (1)BC 随堂训练 1.BCD 2.(1)BD (2)BD 3.(1)B.钩码个数(或细线拉力) 橡皮筋与细线结点的位置 O 细线的方向(说明:能反映细线方向的 其他记录也可以) C.橡皮筋与细线结点的位置与步骤 B 中结点位置 O 重合 钩码个数和对应的细线方向 (2)3∶4 4.(1)3.00 (2)F′近似在竖直方向,且数值与 F 近似相等


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