资源简介

实 验 　验证力的平行四边形定则
一、实验目的
验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。
学会用作图法处理实验数据和得出实验结论。
二、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)、铅笔。
考点一　实验原理与操作
[典例1]　(2015·长沙模拟)某同学 ( http: / / www.21cnjy.com )做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图实 3 1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。图乙是在白纸上根据实验结果画出的图。
图实 3 1
(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求出合力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______________________。
[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”
[由题引知·要点谨记]
1.实验原理的理解[对应第 1 2 题]
1 用一个弹簧测力计拉橡皮条时，拉力F′的方向一定沿AO方向。
2 因误差因素 读数误差、作图误差等 由平行四边形定则作出的合力不一定沿AO方向。
3 本实验中一个弹簧测力计的作用效果与两个弹簧测力计的共同作用效果相同，具有等效替代关系。
2.实验操作步骤[对应第 3 题]
1 保证两次拉橡皮条时结点O完全重合，以保证力F1、F2与F′存在作用效果相同。
2 实验过程中要同时记录弹簧测力计的示数及拉力方向。
[题组突破]
1．甲、乙、丙三位同学做“互成角度的两个力 ( http: / / www.21cnjy.com )的合成”实验，所用弹簧测力计的量程为0～5 N，他们都把橡皮条的一端固定在木板上的A点，橡皮条的另一端通过细绳连接弹簧测力计，用两个弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点，如图实 3 2所示，此时细绳都与木板平行，用F1和F2表示拉力的方向和大小。甲同学F1和F2的方向互相垂直，F1＝3.0 N、F2＝3.8 N；乙同学F1和F2方向间的夹角约为30°，F1＝F2＝4.0 N；丙同学F1和F2方向间的夹角约为120°，F1＝F2＝4.0 N。这三位同学中操作不合适的是哪一位？并说明原因。
图实 3 2
解析：操作不合适的是乙同学，因为他这两个力的合力超过了弹簧测力计刻度的最大值5 N，之后再用一个弹簧测力计拉橡皮条时拉不到O点。
答案：乙　原因见解析
2．某同学用如图实 3 3所示的实验装置来 ( http: / / www.21cnjy.com )验证“力的平行四边形定则”，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。
图实 3 3
(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为________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。
解析：(1)根据弹簧测力计的指针位置以及读数规则可知A的示数为3.6 N。
(2)要验证的关系是A、B ( http: / / www.21cnjy.com )两个弹簧测力计的拉力的合力与M的重力等大反向，所以应测量M的重力。为减小测量误差，弹簧测力计应在使用前校零，拉力的方向与木板平面平行，A、B、C对。改变拉力进行多次实验，O点位置可以不同，D错。
(3)A的拉力超过其量程，为减小A的数 ( http: / / www.21cnjy.com )值，有多种方法，例如：使B拉力减小，减小M的重力大小，把A换成量程更大的弹簧测力计，改变B的拉力方向等。
答案：(1)3.6　(2)D
(3)使B拉力减小；减小M的重力大小；把A换成量程更大的弹簧测力计或改变B的拉力方向等(任选两个)
考点二　数据处理与误差分析
[典例2]　在“探究求合力的方法”实验中，现有木板、白纸、图钉、橡皮条、细绳套和一把弹簧测力计。
(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
请在图实 3 4中画出图像，并求得该弹簧的劲度系数k＝______ N/m。
图实 3 4
(2)某次实验中，弹簧测力计的指针 ( http: / / www.21cnjy.com )位置如图实 3 5所示，其读数为________ 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。
图实 3 5
(3)由图得到F合＝________ N。
图实 3 6
(4)某次实验中甲、乙两位同学得到 ( http: / / www.21cnjy.com )的结果如图实 3 6所示，其中________同学的实验结果比较符合实验事实(力F′是用一只弹簧测力计拉橡皮条时拉力的图示)。
(5)在以上实验结果比较符合实验事实的一位同学的实验中，造成误差的主要原因是：(至少写出两种情况)
答：________________________________________________________________________。
[答案]
(1)如图(a)所示　55(±2内均可)
(2)2.10(说明：有效数字位数正确，±0.02内均可)　如图(b)所示
(3)3.4(说明：±0.2内均可)
(4)甲　(5)①FC读数比真实值偏小；②确定力的方向不准、作图不准
　
　(a)　　　　　　　　　　　　　(b),
[由题引知·要点谨记]
1.实验数据处理方法[对应第 1 题]
1 用作图法处理实验数据时，要注意F轴和x轴的标度选择。
2 连线时要遵循连线原则。
3 利用求弹簧的劲度系数时，两坐标应尽量远些。
2.弹簧测力计的读数方法[对应第 2 题]
1 注意弹簧测力计的最小格为0.1 N。
2 弹簧测力计读数要符合有效数字要求，小数点后要有两位有效数字。
3.实验数据处理方法[对应第 3 4 题]
1 作图时要选好标度。
2 合力F合的大小要根据所选标度和对角线的长度计算得出。
4.实验误差分析[对应第 5 题]
1 理论值不一定沿橡皮条方向，但单个弹簧测力计的拉力F′一定沿橡皮条方向。
2 读数不准和作图不准都可能使F与F′不完全重合。
[题组突破]
3．(2015·山东枣庄期中)“探究求合力的方法”的实验装置如图实 3 7甲所示。
图实 3 7
(1)某次实验中，弹簧测力计的指针位置如图甲所示。其中，细绳CO对O点的拉力大小为________N；
(2)请将图甲中细绳CO和BO对O点两拉力的合力F合画在图乙上。由图求出合力的大小F合＝________N(保留两位有效数字)；
(3)某同学对弹簧测力计中 ( http: / / www.21cnjy.com )弹簧的劲度系数是多少很感兴趣，于是，他将刻度尺与弹簧测力计平行放置，如图丙所示，利用读得的数据，他得出了弹簧的劲度系数。那么，该弹簧的劲度系数k＝________N/m(保留两位有效数字)。
解析：(1)由图甲可读出CO对O点的拉力大小为2.60 N。
(2)在图乙上的画图如图所示，结合作图可求知合力大小为5.1 N。
(3)由图丙可知，弹簧测力计0刻度线对应5.0 mm,2.60 N对应48.0 mm，由胡克定律，F＝kx，解得k＝＝60 N/m。
答案：(1)2.60　(2)见解析图　5.1　(3)60
4．(2014·江苏高考)小明通过实验验证力的平行四边形定则。
图实 3 8
(1)实验记录纸如图实 ( http: / / www.21cnjy.com )3 8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＝3.30 N、F2＝3.85 N和F3＝4.25 N。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 ( http: / / www.21cnjy.com )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。
实验装置如图实 3 9所示，将一张白纸 ( http: / / www.21cnjy.com )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实 3 10 ( http: / / www.21cnjy.com )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。
解析：(1)作出的图示如图所示。
(2)以重物为研究对象，进行受力分析：重 ( http: / / www.21cnjy.com )物受到重力、水平向右的拉力和橡皮筋的拉力，重物处于静止状态的合力为零，因橡皮筋的拉力方向相同，故橡皮筋的拉力相等。
(3)橡皮筋的形变量和所受到的力有关 ( http: / / www.21cnjy.com )，选项A错误；从图上看，第二次运动轨迹远离O点，橡皮筋第2次的形变量大，B正确；两次拉伸到相同长度，第二次对应的力小，选项C错误；拉力越大，由题图可得橡皮筋两次的长度差越大，故选项D正确。
(4)注意选取橡皮筋的技巧：一要新，二要弹性好；三不要超过弹性限度。故拉力不应该太大；橡皮筋不能太长；选用弹性较好的橡皮筋。
答案：(1)见解析(F合＝4.6～4.9 N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；换用弹性好的弹簧。)
考点三　实验的改进与创新
[典例3]　某同学尝试用橡皮筋等器材验 ( http: / / www.21cnjy.com )证力的平行四边形定则，他找到两条相同的橡皮筋(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与细绳连接，细绳下挂一重物，两橡皮筋的另一端也都连有细绳。实验时，先将两条橡皮筋的一端的细绳固定在墙上的钉子A上，其中一条橡皮筋任其下垂，如图实 3 11甲所示，将另一条橡皮筋的另一端的细绳也固定在墙上的钉子B上，如图中乙所示。
图实 3 11
(1)为完成实验，下述操作中必需的是________。
a．两橡皮筋的另一端连接的细绳a、b长度要相同
b．要测量橡皮筋的原长
c．要测量图中甲和乙橡皮筋的长度
d．要记录图中甲橡皮筋结点O的位置及过结点O的竖直方向
e．要记录图中乙橡皮筋结点O′的位置及过结点O′的竖直方向
(2)对该实验“两条相同的橡皮筋”的要求的理解正确的是________。
a．橡皮筋的材料和原长相同即可
b．橡皮筋的材料和粗细相同即可
c．橡皮筋的材料、原长和粗细均要相同
[答案]　(1)bce　(3)c
[由题引知·要点谨记]
1.实验器材的创新[对应题干部分]
1 橡皮筋替代弹簧测力计。
2 橡皮筋的弹力与其伸长量大小成正比，根据伸长量确定弹力大小的关系。
2.实验原理的创新[对应第 1 2 题]
两根橡皮筋的共同作用效果与一根橡皮筋的作用效果均与重物的重力等大反向。,还可以从以下两个方面创新：
1 使用力的传感器——用力传感器确定各力的大小，同时确定细绳中拉力的方向，再结合力的图示作图验证平行四边形定则。
2 钩码弹簧测力计
[题组突破]
5．有同学利用如图实 3 12 ( http: / / www.21cnjy.com )所示的装置来验证力的平行四边形定则：在竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，将绳子打一个结点O，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子的拉力F1、F2和F3，回答下列问题：
图实 3 12
(1)改变钩码个数，实验能完成的是(　　)
A．钩码的个数N1＝N2＝2，N3＝4
B．钩码的个数N1＝N3＝3，N2＝4
C．钩码的个数N1＝N2＝N3＝4
D．钩码的个数N1＝3，N2＝4，N3＝5
(2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是(　　)
A．标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向
B．量出OA、OB、OC三段绳子的长度
C．用量角器量出三段绳子之间的夹角
D．用天平测出钩码的质量
(3)在作图时，你认为图实 3 13中________是正确的。(填“甲”或“乙”)
图实 3 13
解析：(1)实验中的分力与合力的关系必须满足：|F1－F2|≤F3≤F1＋F2，因此B、C、D选项是可以的。
(2)A
(3)甲　实验中F3是竖直向下的。
答案：(1)BCD　(2)A　(3)甲
6．如图实 3 14所示，某实验小组同 ( http: / / www.21cnjy.com )学利用DIS实验装置研究支架上力的分解。A、B为两个相同的双向力传感器，该型号传感器在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负。A连接质量不计的细绳，可沿固定的板做圆弧形移动。B固定不动，通过光滑铰链连接长0.3 m的杆。将细绳连接在杆右端O点构成支架。保持杆在水平方向，按如下步骤操作：
图实 3 14
①测量绳子与水平杆的夹角∠AOB＝θ
②对两个传感器进行调零
③用另一根绳在O点悬挂一个钩码，记录两个传感器的读数
④取下钩码，移动传感器A改变θ角
重复上述实验步骤，得到表格。
F1/N 1.001 0.580 … 1.002 …
F2/N －0.868 －0.291 … 0.865 …
θ 30° 60° … 150° …
(1)根据表格数据，A传感器对应的是表中力 ( http: / / www.21cnjy.com )________(选填“F1”或“F2”)。钩码质量为________ kg(保留一位有效数字)。
(2)本实验中多次对传感器进行调零，对此操作说明正确的是(　　)
A．因为事先忘记调零
B．何时调零对实验结果没有影响
C．为了消除横杆自身重力对结果的影响
D．可以完全消除实验的误差
解析：(1)A传感器中的力均 ( http: / / www.21cnjy.com )为正值，故A传感器对应的是表中力F1，平衡时，mg＝F1sin θ，当θ＝30°时，F1＝1.001 N，可求得m＝0.05 kg。
(2)在挂钩码之前，对传感器进行调零，目的是为了消除横杆自身重力对结果的影响，故C正确。
答案：(1)F1　0.05　(2)C

展开更多......

收起↑