搜索
实验三验证力的平行四边形定则基础过关一、实验目的1.验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。2.培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力。二、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。三、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、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,使橡皮条与细绳的结点伸长到某一位置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.只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮条与细绳套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为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形,过O点画平行四边形的对角线,此对角线即合力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4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。六、注意事项1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后互钩对拉,读数相同。2.在同一次实验中,使橡皮条拉长时,结点的位置O一定要相同。3.用两只弹簧测力计钩住细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°~100°为宜。4.实验时弹簧测力计应与木板平行,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。5.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,移开细绳套后,再将所标点与O点连接,即可确定力的方向。6.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,使所作力的图示稍长一些。七、误差分析1.弹簧测力计本身的误差。2.读数误差和作图误差。考点一实验原理和实验操作例1某同学用钩码和弹簧测力计做“验证力的平行四边形定则”实验。(1)请将实验内容补充完整: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,在另一端绑上两根系有细绳套的细线。B.其中一根细线挂上5个质量相等的钩码(每个钩码质量均为50g),使橡皮筋拉伸,如图甲所示,记录、结点的位置O和细线方向。考点突破甲乙C.将图甲中钩码取下一个,并将细线用一光滑铁钉B(可随时固定)支开,在另一细线上挂上弹簧测力计,使两细线成一定角度,拉弹簧测力计,如图乙所示,图中α、β可测定,当 = 时,橡皮筋正好位于竖直方向且橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合,此时弹簧测力计的示数应为N(当地重力加速度g=10m/s2)。coscosαβ34(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.建立物理模型法答案(1)钩码的个数(细线上的拉力)1.5(2)B解析(1)由实验原理可知本实验利用等效替代法来验证“力的平行四边形定则”,题图甲中钩码的重力大小即合力大小,细线方向即合力方向,所以应记录钩码的个数(细线上的拉力)、结点O的位置和细线方向,在用钩码和弹簧测力计一起拉橡皮筋时,一定要将橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合,此时应记录钩码个数、弹簧测力计示数及对应的细线方向,分析题图乙中结点的受力情况可得水平方向有4mgcosα=Fcosβ,代入数据得弹簧测力计的示数应为F=3mg=1.5N。(2)由(1)知是等效替代法。变式1(2019安徽六安一中综合训练)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套,如图甲所示,实验中先用两个弹簧测力计分别钩住绳套,并互成角度地拉橡皮条,把橡皮条的一端拉到O点,用铅笔描下O点位置和两个细绳套的方向,并记录弹簧测力计的读数,然后只用一个弹簧测力计,通过细绳套再次把橡皮条的一端拉到O点,记下弹簧测力计的读数F'和细绳套的方向,作出三个力的图示,如图乙所示。(1)下列说法正确的是 ()A.实验中两个细绳套应适当长一些,可以减小实验误差B.在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向C.在同一次实验中,作力F1、F2的图示时,必须选取同样的标度,而作力F'的图示时,可以选取不同的标度D.最后,连接F1、F2和F'三个力的末端,验证所得图形是不是平行四边形(2)甲同学在做这个实验的时候,两个弹簧测力计的量程都是0~10N,他把弹簧测力计校零之后,先测量一个质量为1kg的物体的重力,发现弹簧测力计的示数为8.2N,换用另外一个弹簧测力计测量这个物体的重力,发现示数还是8.2N,测量重力的操作都是正确的,如果用这两个弹簧测力计进行实验,对实验结果有影响吗?(填“有”或“没有”)。乙同学实验后才发现忘记对这两个弹簧测力计校零,他把两个弹簧测力计平放在实验台上,发现两个弹簧测力计的示数都是0.3N,乙同学使用的弹簧测力计对实验结果有影响吗?(填“有”或“没有”)。答案(1)AB(2)没有有解析(1)拉橡皮条的细绳套适当长一些,方便画出力的方向,可以减小误差,故A项正确;在用力拉弹簧测力计时,拉力应沿弹簧测力计的轴线方向,否则会影响拉力大小,故B项正确;在同一次实验中,作力F1、F2的图示时,必须选取同样的标度,而作力F‘的图示时,也必须选取同样的标度,故C项错误;应该是以F1、F2为邻边作出平行四边形,过O点作出平行四边形的对角线,该对角线表示合力,比较合力和F’的关系,故D项错误。(2)用两个校零后的弹簧测力计测量同一个物体的重力发现示数相等,用这两个弹簧测力计进行实验,拉力和示数之比相等,对实验结果没有影响;若两个弹簧测力计测量前都没有校零,且没有拉力时弹簧测力计的示数都是0.3N,则用此弹簧测力计测量时,弹力的大小应等于示数减去0.3N,根据示数作平行四边形时,误差较大,对实验结果有影响。考点二实验数据处理和误差分析例2(2017课标Ⅲ,22,6分)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)的纸贴在水平桌面上,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。(ⅰ)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; 图(a)图(b)(ⅱ)F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)(ⅰ)F1、F2和F合如图所示 (ⅱ)4.00.05解析(1)测力计的分度值为0.2N,F的大小为4.0N。(2)(ⅰ)图见答案。分别以F1、F2为邻边作平行四边形,并作出对角线,即得F合。(ⅱ)表示F合的线段的长度为20.0mm,F合= ×1N=4.0N。F合与拉力F的夹角的正切值为tanθ≈ =0.05。20.0521-2020变式2某同学通过下述实验验证力的平行四边形定则。实验步骤:①将弹簧测力计固定在贴有白纸的竖直木板上,使其轴线沿竖直方向。②如图甲所示,将环形橡皮筋一端挂在弹簧测力计的挂钩上,另一端用圆珠笔尖竖直向下拉,直到弹簧测力计示数为某一设定值时,将橡皮筋两端的位置标记为O1、O2,记录弹簧测力计的示数F,测量并记录O1、O2间的距离(即橡皮筋的长度l)。每次将弹簧测力计示数改变0.50N,测出所对应的l,部分数据如表所示:甲③找出②中F=2.50N时橡皮筋两端的位置,重新标记为O、O',橡皮筋的拉力记为FOO'。④在挂钩上涂抹少许润滑油,将橡皮筋搭在挂钩上,如图乙所示。用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端,使挂钩的下端达到O点,将两笔尖的位置标记为A、B,橡皮筋OA段的拉力记为FOA,OB段的拉力记为FOB。F/N00.501.001.502.002.50l/cml010.9712.0213.0013.9815.05乙完成下列作图和填空:(1)利用表中数据在图丙中画出F-l图线,根据图线求得l0=cm。丙(2)测得OA=6.00cm,OB=7.60cm,则FOA的大小为N。(3)根据给出的标度,作出FOA和FOB的合力F'的图示。(4)通过比较F'与的大小和方向,即可得出实验结论。丁答案(1)如图1所示10.0(9.8、9.9、10.1均正确)(2)1.80(1.70~1.90均正确)(3)如图2所示(4)FOO'图1图2解析(1)根据表格数据,作出F-l图线,图线的横截距表示橡皮筋原长,因此l0=10.0cm。(2)橡皮筋总长l=OA+OB=13.60cm,根据F-l图线,可读出橡皮筋长度l=13.60cm时橡皮筋的拉力为1.80N。(3)根据平行四边形定则作图,对角线表示合力F'。(4)若F'与FOO'在误差范围内大小相等、方向相同,就表明力的平行四边形定则是正确的。考点三实验拓展和实验创新创新角度实验装置/原理图创新解读实验原理创新 图1图2图1:1.将橡皮筋和弹簧测力计的实验角色互换2.挂钩上涂抹少许润滑油,保证了橡皮筋两侧弹力大小相同,与两侧橡皮筋长度大小无关图2:1.通过应用定滑轮,改变拉力的方向2.钩码的总重力即对应细绳的拉力大小实验器材创新 1.电子秤代替弹簧测力计,可以直接读出力的大小2.同一电子秤应用于(a)、(b)、(c)三个图中,可测得三根细线中拉力的大小实验过程创新 1.探究拉伸过程对橡皮筋弹性的影响2.橡皮筋上端固定,下端挂一重物,用水平力两次拉动重物,对应不同的轨迹例3小明通过实验验证力的平行四边形定则。(1)实验记录纸如图甲所示,O点为橡皮筋被拉伸后伸长到的位置,两弹簧测力计共同作用时,拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点;一个弹簧测力计拉橡皮筋时,拉力F3的方向过P3点。三个力的大小分别为:F1=3.30N、F2=3.85N和F3=4.25N。请根据图中给出的标度作图求出F1和F2的合力。(2)仔细分析实验,小明怀疑实验中的橡皮筋被多次拉伸后弹性发生了变化,影响实验结果。他用弹簧测力计先后两次将橡皮筋拉伸到相同长度,发现读数不相同,于是进一步探究了拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。 甲乙丙实验装置如图乙所示,将一张白纸固定在竖直放置的木板上,橡皮筋的上端固定于O点,下端N挂一重物。用与白纸平行的水平力缓慢地移动N,在白纸上记录下N的轨迹。重复上述过程,再次记录下N的轨迹。两次实验记录的轨迹如图丙所示。过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点,则实验中橡皮筋分别被拉伸到a和b时所受拉力Fa、Fb的大小关系为。(3)根据(2)中的实验,可以得出的实验结果有哪些?()(填写选项前的字母)A.橡皮筋的长度与受到的拉力成正比B.两次受到的拉力相同时,橡皮筋第2次的长度较长C.两次被拉伸到相同长度时,橡皮筋第2次受到的拉力较大D.两次受到的拉力相同时,拉力越大,橡皮筋两次的长度之差越大(4)根据小明的上述实验探究,请对验证力的平行四边形定则实验提出两点注意事项。答案(1)如图,F合=4.6~4.9N都算对(2)Fa=Fb(3)BD(4)橡皮筋拉伸不宜过长;选用新橡皮筋(或:拉力不宜过大;选用弹性好的橡皮筋;换用弹性好的轻弹簧)解析(1)画直线OP