46实验：验证力的平行四边形定则

实验：验证力的平行四边形定则我们已经学习了许多物理量其中体积、质量、时间、长度的运算所遵循的是代数的加减法则，为什么力的合成要遵循平行四边形定则呢?这种运算法则是否正确呢?有同学提出以下猜想：1.合力的大小只在分力夹角为锐角时遵循平行四边形法则。2.夹角为直角时，用勾股定理计算，不遵循平行四边形法则。同学们，你是怎样认为的呢？说说你的猜想。1.掌握弹簧测力计的正确使用方法。2.根据实验的要求，会对给定的实验步骤排序、纠错。3.验证力的平行四边形定则，培养用作图法处理问题的能力。(重点)验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则【实验目的】方木板一块、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.【实验器材】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′的大小和方向是否相同,若相同,则说明互成角度两个力合成时遵循平行四边形定则.【实验原理】(1)在桌上平放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上。【实验步骤】(2)用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端栓上两条细绳套。EA注意：请设计好伸长结点的位置，以便作图。(3)用两个弹簧测力计分别勾住绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O。(4)用铅笔记下O点的位置和两条细绳的方向，读出两个弹簧测力计的示数。F1OF2AE示数示数(5)用铅笔和刻度尺在白纸上从O点沿着两条细绳的方向画直线，按着一定的标度作出两个力F1和F2的图示。用平行四边形定则求出合力。F1F2Fo(6)只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样位置O。读出示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示。OEF/F1FF2F/(7)比较F′与用平行四边形定则求得的合力F的大小和方向，看它们是否相等。F1FF/oF/是实验值，F是理论值F2在误差允许范围内，理论值和实验值大小相等方向相同。验证了平行四边形定则的正确性。实验操作演示实验过程展示力的合成图实例1.用两个测力计拉橡皮条时,橡皮条、细绳和测力计不在同一个平面内,这样两个测力计的水平分力的实际合力比由作图法得到的合力小.2.结点O的位置和两个测力计的方向画得不准,造成作图的误差.【误差分析】3.两个分力的起始夹角α太大,如大于120°,再重做两次实验，为保证结点O位置不变(即保证合力不变),则α变化范围不大，因而测力计示数变化不显著,读数误差大.4.作图比例不恰当造成作图误差.1.实验时由作图法得到的合力F和单个弹簧测力计测量的实际合力F′忘记标注而造成错乱,你如何加以区分?提示:由弹簧测力计测量合力时必须使橡皮筋伸直,所以与AO共线的合力表示由单个测力计测量得到的实际合力F′，不共线的合力表示由作图法得到的合力F.【交流与思考】2.如何设计实验探究两力合力随角度的变化规律？如何观察合力的变化规律？提示：保持两力的大小不变,改变两力之间的夹角,使两力的合力发生变化,可以通过观察结点的位置变化,判断合力大小的变化情况,结点离固定点越远,说明两力的合力越大.3.每次实验都必须保证结点的位置保持不变,这体现了怎样的物理思想方法？若两次橡皮条的伸长长度相同,能否验证平行四边形定则？提示:每次实验保证结点位置保持不变,是为了使合力的作用效果与两个分力共同作用的效果相同，这是物理学中等效替代的思想方法.由于力不仅有大小,还有方向，若两次橡皮条的伸长长度相同但结点位置不同，说明两次效果不同,不满足合力与分力的关系,不能验证平行四边形定则.【对点训练1】如图所示是甲、乙两位同学在“验证力的平行四边形定则”的实验中所得到的实验结果，若用F表示两个分力F1、F2的合力，用F′表示F1和F2的等效力，则可以判断________(选填“甲”或“乙”)同学的实验结果是尊重事实的．解析：由题设可知，F为F1和F2的合力，通过平行四边形定则所得，而F′是F1和F2的等效力，即用一只弹簧测力计拉橡皮条时的拉力，显然F′的方向应在细线的方向上，因甲同学F′的方向与细绳在同一直线上，故甲同学是尊重事实的．答案：甲本题解答的重点在F′的方向的确定上．两位同学的实验结果都有误差，这是正常的，但乙同学很明显在F′的方向的确定上违背了实验的要求，作图是错误的．【对点训练2】(2015·安徽高考)在“验证力的平行四边形定则”实验中,某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上,将橡皮条的一端固定在板上一点,两个细绳套系在橡皮条的另一端。用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套,互成角度地施加拉力,使橡皮条伸长,结点到达纸面上某一位置,如图所示。请将以下的实验操作和处理补充完整：①用铅笔描下结点位置,记为O;②记录两个弹簧测力计的示数F1和F2,沿每条细绳(套)的方向用铅笔分别描出几个点,用刻度尺把相应的点连成线;③只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置O,记录测力计的示数F3,;④按照力的图示要求,作出拉力F1、F2、F3;⑤根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F;⑥比较的一致程度,若有较大差异,对其原因进行分析,并作出相应的改进后再次进行实验。【解析】用一个弹簧测力计把橡皮条的结点拉到位置O后,除了记录测力计的示数F3的大小外,还要记录拉力F3的方向,作出F3的图示,与F1、F2的合力F比较即可验证。答案：③沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点,用刻度尺把这些点连成直线⑥F和F31.合力与分力的概念：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。2.力的合成：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′的大小和方向是否相同,若相同,则说明互成角度两个力合成时遵循平行四边形定则。1.(多选）在做验证力的平行四边形定则的实验时，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BC2.(1)在做“验证力的平行四边形定则”的实验时，需要的器材有：方木板、白纸、细绳套两个、三角板、刻度尺、图钉几个，还需要_______________________________________(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_.铅笔一支弹簧测力计两个、橡皮条一根弹簧测力计读数同一位置O点弹簧测力计读数O点位置细绳所指方向3.某同学在家中尝试验证力的平行四边形定则，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，另一端与第二条橡皮筋连接，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____________________________________.bcd可改变的条件只能是所悬挂的重物的质量.4.在“验证力的平行四边形定则”的实验中，两只弹簧测力计的拉力F1和F2已于右图中作出了它们的图示，O点是橡皮条的一个端点，图中每格的长度代表1N.(1)用作图法作出合力F的图示.(2)合力F的大小是_____N.(可用根号表示)135.(2017·全国卷III)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1mm)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。(2)撤去(1)中的拉力,橡皮筋P端回到A点;现使用两个测力计同时拉橡皮筋,再次将P端拉至O点,此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向,由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1=4.2N和F2=5.6N。①用5mm长度的线段表示1N的力,以O为作用点,在图(a)中画出力F1、F2的图示,然后按平行四边形定则画出它们的合力F合。②F合的大小为_____N,F合与拉力F的夹角的正切值为_____。若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内,则该实验验证了力的平行四边形定则。答案:(1)4.0(2)①②4.00.05集腋成裘，聚沙成塔。几秒钟虽然不长，却能构成永恒长河中的伟大时代。