搜索
实验二验证力的平行四边形定则一、实验目的验证互成角度的二力合成时的平行四边形定则．二、实验原理本实验的研究对象为绳与橡皮条的结点，当用一个力F′，与同时用两个共点力F1、F2拉结点，使结点均至O点，说明F′的作用效果，可用F1、F2的合作用效果代替，即F′应为F1、F2的合力，根据平行四边形定则作出F1和F2的合力F的图示，比较F′和F是否大小相等，方向相同．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)．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，使橡皮条伸长到某一位置O，如图所示，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．用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的读数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．5.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，用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这只弹簧测力计的拉力F′的图示．6.比较一下，力F′与用平行四边形定则求出的合力F在大小和方向上是否相同．7．改变两个力F1与F2的大小和夹角，再重复实验两次．五、误差分析本实验的误差除弹簧测力计本身的误差外，还主要来源于以下两个方面：1．读数误差减小读数误差的方法：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：作图时两力的对边一定要平行，两个分力F1、F2间的夹角越大，用平行四边形作出的合力F的误差ΔF就越大，所以实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大．本实验允许的误差范围是：力的大小ΔF≤5%F，F′与F的夹角θ≤7°.对于ΔF＝0，θ＝0和ΔF5%F，θ7°的情况要分析原因．六、注意事项1．正确使用弹簧秤(1)弹簧秤的选取方法是：将两个弹簧秤调零后互钩水平对拉，若两个弹簧秤在对拉过程中，读数相同，则可选；若读数不同，应另换，直至相同为止．(2)弹簧秤不能在超出它的测量范围的情况下使用．(3)使用前要检查指针是否指在零刻度线上，否则应校正零位(无法校正的要记录下零误差)．(4)被测力的方向应与弹簧秤轴线方向一致，拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦．(5)读数时应正对、平视刻度．2.实验注意事项(1)不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地记录结点O的位置．(2)在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点O的位置一定要相同．(3)不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧秤拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条拉到相同的长度看弹簧秤读数有无变化．(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点连直线确定力的方向．(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.【例1】如图所示是甲、乙两名同学在做“验证力的平行四边形定则”的实验时得到的结果．若按实验中要求的符号表示各个力，则可判定其中哪一个实验结果是尊重实验事实的？【解析】(1)符号F、F′的含义各是什么？答F表示F1与F2两力共同作用的效果即为合力，由平行四边形定则确定．F′表示用单独的一个测力计测出F1与F2的效果．(2)哪一个实验结果尊重实验事实？答由于F′为单独一个测力计测量使橡皮条的结点延长到同一点O，故F′应在AO的直线上，所以甲符合实验事实．(3)F与F′出现偏差的原因是什么？答主要原因有两个方面，一个是测力计本身精确度不够高，读数出现偏差；另一个是作图时的误差．【答案】甲【例2】在两个共点力的合成实验中，如图所示，用A、B两个测力计拉橡皮条的结点D，使其位于E处，α＋β＝90°，然后保持A的读数不变，当角α由图示位置逐渐减小时，欲使结点仍在E处，可采用的方法是()A．增大B的读数，减小β角B．减小B的读数，减小β角C．减小B的读数，增大β角D．增大B的读数，增大β角【解析】(1)题目中欲使结点仍在E处的含义是什么？答结点仍在E处的含义是A、B的合力不变，即矢量EC的大小、方向不变．(2)题目中条件α＋β＝90°的作用是什么？答如图所示，表示开始EA⊥AC，当α减小后，矢量EA的箭头离开AC，到达EA′的位置.(3)怎样确定测力计B的变化？答由作图法，连接A′C，由矢量三角形的关系，可以明显看出B的读数减小了，β角也减小了．(4)该题如果改为α增大，B的示数及β角又怎样改变呢？答用上述同样的作图法，可以确定B的读数增大了，β角仍减小了。(5)如果题目中没有α＋β＝90°的条件，则情况又如何呢？答这时要分情况讨论了：①若α＋β90°，当α减小时，B的示数减小，β角减小；②若α＋β90°时，当α减小时，B的示数减小，β角增大．【答案】B1.下列列出的措施中，有利于提高本实验准确度的是()A．橡皮条弹性要好，拉到O点时，拉力应适当大些B．两个分力F1和F2间的夹角要尽量大些C．拉橡皮条时，橡皮条、细绳套和弹簧测力计应贴近且平行于木板面D．拉橡皮条的绳要细，而且稍长一些【解析】拉橡皮条时，橡皮条、细绳套和弹簧测力计应贴近且平行于木板面，可以避免摩擦，细绳套细一些且较长一些，可以更好地确定拉力的方向；拉到O点时，拉力适当大些可减小读数误差；F1和F2间夹角应适中，夹角过大会使F1和F2的合力F的大小或方向出现较大误差，夹角过小会使F的方向出现偏差.【答案】ACD2．(2009·北京市海淀区高三模拟)如图所示，在“验证力的平行四边形定则”的实验中，橡皮条的一端固定在木板上，用两个弹簧秤把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点．以下操作中错误的是()A．同一次实验过程中，O点位置允许变动B．实验中，弹簧秤必须与木板平行，读数时视线要正对弹簧秤刻度C．实验中，先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后只需调节另一个弹簧秤拉力的大小和方向，把橡皮条另一端拉到O点D．实验中，把橡皮条的另一端拉到O点时，两个弹簧秤之间夹角应取90°，以便于算出合力大小【解析】从橡皮条固定点到O点的连线，是合力的作用线方向，如果O点变动，那么合力的大小、方向都要变化，就不能验证力的平行四边形定则，故A错误；C选项中，因一个弹簧秤已拉到最大量程，再通过另一个弹簧秤拉橡皮条到O点时，第一个弹簧秤可能超过最大量程，造成损坏，或读数不准，故C错误；互成角度的二力合成，是利用平行四边形定则进行合成，两个分力成任意角度都适用，不必成90°角，故D错误．【答案】ACD3．(2009·河北石家庄五县市区高三调研)在“互成角度的二力合成”的实验中，为了减小实验误差，下列可行的方法是()A．两个分力F1、F2间的夹角应尽量大些B．两个分力F1、F2的大小应尽量大些C．拉橡皮条的细线要长些D．作力的图示时，比例标度要尽可能大些【解析】F1、F2间的夹角大，合力小，相对误差大．F1、F2大些，合力也大，图示时相对误差小．细线长些有利于准确确定力的方向．作力的图示，比例标度大可以减小相对误差．【答案】BCD4．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．细绳的另一端都有绳套，如右图所示，“实验中需用两个弹簧测力计分别钩住绳套，并互成角度地拉橡皮条．某同学以为在此过程中必须注意以下几项：()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．在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行【解析】从橡皮条固定点到O点的连线方向，是合力的作用线方向，如果O点变动，那么合力的大小、方向都要变化，就不能验证力的平行四边形定则，故A选项错，C选项中，因一个弹簧秤已拉到最大量程，再通过另一个弹簧秤拉橡皮条到O点时，第一个弹簧秤可能超过最大量程，造成损坏，或读数不准，故C选项错．互成角度的两个力的合成，是利用平行四边形定则合成的，两个分力成任意角度都适用，不必成90°角，故D选项错．【答案】AC5．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甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细线的结点，OB和OC为细绳．图乙是在白纸上根据实验结果画出的图．下列说法正确的是()A．图乙中的F是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筋，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筋，那么对实验结果有影响【解析】因为F是由平行四边形求得的值，故为理论值；而F′是由弹簧秤实验测量所得值，故为实际测量值，所以A对，B错；无论用细绳还是用橡皮筋，弹簧秤的读数都等于其作用在O点的拉力的数值，故C对，D错．【答案】AC6．(2009·山东理综)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______________。【解析】(1)三段相同的橡皮筋，具有相同的劲度系数，故三段橡皮筋的形变量的大小关系而代表了三段橡皮筋承受的力的大小，故必需B、C项．A、B两点固定，O点的位置则决定了三个力的方向(因绳中的力恒沿绳的方向)，故必需D项．(2)最简便的方法是：更换不同的小重物．若没有“钉子位置固定”的话，改变A、B钉的位置亦可．【答案】(1)BCD(2)更换不同的小重物7．某同学做“验证力的平行四边形定则”实验时，主要步骤是：()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．用两个弹簧秤分别钩住绳套，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，读出并记录两个弹簧秤的示数．D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧秤的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F.E．只用一只弹簧秤，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出并记录弹簧秤的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力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)遗漏的内容分别是________和________．【解析】据验证力的平行四边形定则的操作规程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E.在C中未记下两条绳的方向，E中未说明是否把橡皮条的结点拉到了同一位置O.【答案】(1)CE(2)记下两条绳的方向把橡皮条的结点拉到同一位置O8．如图所示，在验证力的平行四边形定则实验中，物理兴趣小组的同学为了充分体会课堂学习的规律，便使弹簧秤b由图示位置开始顺时针方向缓慢转动了90°角，在这个过程中保持O点位置不动，a弹簧秤的拉伸方向不变，则整个过程中关于a、b弹簧秤的读数变化正确的是()A．a增大，b减小B．a减小，b增大C．a减小，b先增大后减小D．a减小，b先减小后增大【解析】保持O点位置不变，即合力F不变，在保持a弹簧秤的拉伸方向不变的情况下，由平行四边形定则分别作出与Fb、Fb′、Fb″相对应的Fa、Fa′、Fa″(如图所示)，可知a弹簧秤读数始终在减小，b弹簧秤先减小至Fb′