資源簡介

實驗 學案10 探究力的平行四邊形定則
實驗目的
1．學會用彈簧測力計和細線測出力的大小與方向．
2．運用力的圖示法探究互成角度的兩個共點力合成時遵循平行四邊形定則．
實驗原理
一個力F′的作用效果和兩個力F1、F2的作用效果都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長到________，所以力F′就是這兩個力F1和F2的合力，作出力F′的圖示．再根據平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示，比較F和F′的大小和方向是否相同，若相同，則說明互成角度兩個力合成時遵循______________．
實驗器材
方木板一塊、白紙、彈簧測力計(兩只)、________、細繩套(兩個)、________、________、圖釘(幾個)、細芯鉛筆．
實驗步驟
1．用圖釘把白紙釘在水平桌面上的方木板上．并用圖釘把橡皮條的一端固定在A點，橡皮條的另一端拴一短繩，細繩的另一端拴上兩個細繩套．
2．用兩只彈簧測力計分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長到某一位置O，如圖1所示，記錄兩彈簧測力計的讀數，用鉛筆描下O點的位置及此時兩細繩套的方向．
圖1
3．只用一只彈簧測力計通過細繩套把橡皮條的結點拉到同樣的位置O，記下彈簧測力計的讀數和細繩套的方向．
4．用鉛筆和刻度尺從結點O沿兩條細繩套方向畫直線，按選定的標度作出這兩只彈簧測力計的讀數F1和F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，此對角線即為合力F的圖示．
5．用刻度尺從O點按同樣的標度沿記錄的方向作出只用一只彈簧測力計的拉力F′的圖示．
6．比較一下，力F′與用平行四邊形定則求出的合力F的大小和方向是否相同．
提示：每次實驗保證結點位置保持不變，是為了使合力的作用效果與兩個分力共同作用的效果相同，這是物理學中等效替換的思想方法．由于力不僅有大小，還有方向，若兩次橡皮條的伸長長度相同但結點位置不同，說明兩次效果不同，不滿足合力與分力的關系，不能驗證平行四邊形定則．
誤差分析
1．用兩個測力計拉橡皮條時，橡皮條、細繩和測力計不在同一個平面內，這樣得到的兩個測力計的水平分力的實際合力比由作圖法得到的合力小．
2．結點O的位置和兩個測力計的方向畫得不準，造成作圖的誤差．
3．兩個分力的起始夾角α太大，如大于120°，再重做兩次實驗，為保證結點O位置不變(即保證合力不變)，則α變化范圍不大，因而測力計示數變化不顯著，讀數誤差大．
4．作圖比例不恰當造成作圖誤差．
注意事項
1．不要直接以橡皮條的端點為結點，可拴一短細繩連兩細繩套，以三繩交點為結點，應使結點小些，以便準確地記錄結點O的位置．
2．使用彈簧秤前，應先調節零刻度，使用時不能超過量程，拉彈簧秤時，應使彈簧秤與木板平行．被測力的方向應與彈簧測力計軸線方向一致，拉動彈簧時不可與外殼相碰或摩擦．
3．在同一次實驗中，橡皮條伸長時的結點位置要相同．
4．兩拉力F1和F2夾角不宜過小，作力的圖示，標度要一致．
5．讀數時應正對、平視刻度.
題型一　實驗原理與方法
【例1】 “探究力的平行四邊形定則”的實驗如圖2甲所示，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細線的結點，OB和OC為細繩．圖2乙所示是在白紙上根據實驗結果畫出的圖．
(1)圖2乙中的________是力F1和F2的合力的理論值；________是力F1和F2的合力的實際測量值．
圖2
(2)在實驗中，如果將細繩也換成橡皮筋，那么實驗結果是否會發生變化？答：________.(選填“變”或“不變”)．
(3)本實驗采用的科學方法是(　　)
A．理想實驗法 B．等效替代法
C．控制變量法 D．建立物理模型法
[規范思維]
　
　
　
　
　
　
　
題型二　實驗步驟的考查
【例2】 某同學做“驗證力的平行四邊形定則”實驗時的主要步驟是：
A．在桌上平放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上；
B．用圖釘把橡皮條的一端固定在板上的A點，在橡皮條的另一端拴上一短細繩，細繩的另一端系上兩個細繩套；
C．用兩個彈簧測力計分別鉤住兩個繩套，互成角度地拉橡皮條的同一結點，使橡皮條伸長，結點到達某一位置O.記錄下O點的位置，讀出兩個彈簧測力計的示數；
D．按選好的標度，用鉛筆和刻度尺作出兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并用平行四邊形定則求出合力F；
E．只用一個彈簧測力計，通過細繩套拉橡皮條使其伸長，讀出彈簧測力計的示數，記下細繩套的方向，按同一標度作出這個力F′的圖示；
F．比較F′與F的大小和方向，看它們是否相同，得出結論．
上述步驟中：(1)有重要遺漏的步驟的序號是________和________；
(2)遺漏的內容分別是________________________________
和________________________________________________________________________．
[規范思維]
　
　
　
　
　
　
　
[針對訓練]　在探究求合力的方法時，先將橡皮條的一端固定在水平木板上，另一端系上帶有繩套的兩根細繩．實驗時，需要兩次拉伸橡皮條，一次是通過兩細繩用兩個彈簧秤互成角度的拉橡皮條，另一次是用一個彈簧秤通過細繩拉橡皮條．
①實驗對兩次拉伸橡皮條的要求中，下列哪些說法是正確的________(填字母代號)
A．將橡皮條拉伸相同長度即可
B．將橡皮條沿相同方向拉到相同長度
C．將彈簧秤都拉伸到相同刻度
D．將橡皮條和繩的結點拉到相同位置
②同學們在操作過程中有如下討論，其中對減小實驗誤差有益的說法是________(填字母代號)
A．兩細繩必須等長
B．彈簧秤、細繩、橡皮條都應與木板平行
C．用兩彈簧秤同時拉細繩時兩彈簧示數之差應盡可能大
D．拉橡皮條的細繩要長些，標記同一細繩方向的兩點要遠些
1．在做“互成角度的兩個力的合成”實驗時，橡皮條的一端固定在木板上，用兩個彈簧秤把橡皮條的另一端拉到某一確定的O點，以下操作中錯誤的是(　　)
A．同一次實驗過程中，O點位置允許變動
B．實驗中，彈簧秤必須與木板平行，讀數時視線要正對彈簧秤刻度
C．實驗中，先將其中一個彈簧秤沿某一方向拉到最大量程，然后只需調節另一彈簧秤拉力的大小和方向，把橡皮條另一端拉到O點
D．實驗中，把橡皮條的另一端拉到O點時，兩彈簧秤之間夾角應取90°，以便于算出合力的大小
2．探究力的平行四邊形定則的實驗原理是等效原理，其等效性是指(　　)
A．使兩分力與合力滿足平行四邊形定則
B．使兩次橡皮筋與細繩套的結點都與某點O重合
C．使兩次橡皮筋伸長的長度相等
D．使彈簧秤在兩種情況下發生相同的形變
3．在“驗證力的平行四邊形定則”中，采取下列哪些方法和步驟可減小實驗誤差(　　)
A．兩個分力F1、F2間的夾角要適當大些
B．兩個分力F1、F2的大小要適當大些
C．拉橡皮條的細繩要稍長一些
D．實驗前先把兩個彈簧秤的鉤子互相鉤住，平放在桌子上，向相反方向拉動，檢查讀數是否相同
圖3
4．某同學利用如圖3所示的裝置來驗證力的平行四邊形定則：在豎直木板上鋪有白紙，固定兩個光滑的滑輪A和B，將繩子打一個結點O，每個鉤碼的重量相等，當系統達到平衡時，根據鉤碼個數讀出三根繩子的拉力FTOA、FTOB和FTOC，回答下列問題：
(1)改變鉤碼個數，實驗能完成的是(　　)
A．鉤碼個數N1＝N2＝2，N3＝4
B．鉤碼個數N1＝N3＝3，N2＝4
C．鉤碼個數N1＝N2＝N3＝4
D．鉤碼個數N1＝3，N2＝4，N3＝5
(2)在拆下鉤碼和繩子前，最重要的一個步驟是(　　)
A．標記結點O的位置，并記錄OA、OB、OC三段繩子的方向
B．量出OA、OB、OC三段繩子的長度
C．用量角器量出三段繩子之間的夾角
D．用天平測出鉤碼的質量
(3)在作圖時，你認為圖4中________是正確的．(填“甲”或“乙”)
圖4
5．請完成以下兩小題．
某同學在家中嘗試驗證平行四邊形定則，他找到三條相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、鉛筆、細繩、白紙、釘子，設計了如下實驗：將兩條橡皮筋的一端分別掛在墻上的兩個釘子A、B上，另一端與第三條橡皮筋連接，結點為O，將第三條橡皮筋的另一端通過細繩掛一重物．
(1)為完成該實驗，下述操作中必需的是________．
a．測量細繩的長度
b．測量橡皮筋的原長
c．測量懸掛重物后橡皮筋的長度
d．記錄懸掛重物后結點O的位置
(2)釘子位置固定，欲利用現有器材，改變條件再次驗證，可采用的方法是________．
圖5
6．如圖5所示，某小組同學利用DIS實驗裝置研究支架上力的分解．A、B為兩個相同的雙向力傳感器，該型號傳感器在受到拉力時讀數為正，受到壓力時讀數為負．A連接質量不計的細繩，可沿固定的板做圓弧形移動．B固定不動，通過光滑鉸鏈連接長0.3 m的桿．將細繩連接在桿右端O點構成支架．保持桿在水平方向，按如下步驟操作：
①測量繩子與水平桿的夾角∠AOB＝θ
②對兩個傳感器進行調零
③用另一繩在O點懸掛一個鉤碼，記錄兩個傳感器讀數④取下鉤碼，移動傳感器A改變θ角
重復上述實驗步驟，得到表格.
F1 1.001 0.580 … 1.002 …
F2 －0.868 －0.291 … 0.865 …
θ 30° 60° … 150° …
(1)根據表格，A傳感器對應的表中力為______(選填“F1”或“F2”)．鉤碼質量為______ kg(保留1位有效數字)．
(2)本實驗中多次對傳感器進行調零，對此操作說明正確的是(　　)
A．因為事先忘記了調零
B．何時調零對實驗結果沒有影響
C．為了消除橫桿自身重力對結果的影響
D．可以完全消除實驗的誤差
7．在做“驗證力的平行四邊形定則的實驗”中，在水平放置的木板上墊一張白紙，把橡皮條的一端固定在A點上，另一端連接兩根細線，然后通過細線用兩個互成角度的彈簧秤來拉橡皮條，使橡皮條伸長到某一點O，此時需記錄下：
(1)________________，
(2)________________，
(3)________________．
然后改用一個彈簧秤把橡皮條拉到O點后再記錄下：
(4)________________，
(5)________________．
(6)如圖6所示，是該同學完成驗證力的平行四邊形定則實驗操作后得到的數據圖，請選好比例在方框中作圖完成該同學未完成的實驗數據處理．
圖6
8．小明同學在學完力的合成與分解后，想在家里做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗．他從學校的實驗室里借來兩只彈簧測力計，按如下步驟進行實驗．
A．在墻上貼一張白紙用來記錄彈簧彈力的大小和方向
B．在一只彈簧測力計的下端懸掛一裝滿水的水杯，記下靜止時彈簧測力計的讀數F.
C．將一根大約30 cm長的細線從提帶中穿過，再將細線兩端拴在兩只彈簧測力計的掛鉤上．在靠近白紙處用手對稱地拉開細線，使兩只彈簧測力計的讀數相等，在白紙上記下細線的方向和彈簧測力計的讀數．如圖7甲所示．
D．在白紙上按一定標度作出兩個彈簧測力計的彈力的圖示，如圖乙所示，根據力的平行四邊形定則可求出這兩個力的合力F′.
圖7
(1)在步驟C中，彈簧測力計的讀數為________ N.
(2)在步驟D中，合力F′＝__________ N.
(3)若______________________________，就可以驗證力的平行四邊形定則．
9．將橡皮筋的一端固定在A點，另一端拴上兩根細繩，每根細繩分別連著一個量程為5 N、最小刻度為0.1 N的彈簧測力計．沿著兩個不同的方向拉彈簧測力計．當橡皮筋的活動端拉到O點時，兩根細繩相互垂直，如圖8所示．這時彈簧測力計的讀數可從圖中讀出．
圖8
(1)由圖可讀得兩個相互垂直的拉力的大小分別為________ N和________ N.
(2)在圖9所示的方格紙上按作圖法的要求畫出這兩個力及它們的合力．
圖9
(3)圖10(A)(B)兩圖是兩位同學得到的實驗結果，其中哪一個圖符合實際？若合力測量值F′是準確的，則F與F′有誤差的原因可能是哪些？
圖10
實驗學案10　探究力的平行四邊形定則
實驗原理
同一點　平行四邊形定則
實驗器材
橡皮條　三角板　刻度尺
【熱點題型精析】
例1 F　F′　(2)不變　(3)B
解析　(1)用平行四邊形定則作圖得到的是合力的理論值，即F；直接測量得到的是合力的實際測量值，即F′.
(2)細繩的作用是對結點O施加不同方向的拉力F1、F2，換用橡皮筋拉結果是一樣的．
(3)力的合成與分解使用的是等效替代法，B正確．
[規范思維]　直接測得的是實際測量值，方向一定沿橡皮筋AO的方向，而用平行四邊形作圖得到的是實驗的理論值，即F，由于實驗誤差的存在，F與F′是不一定重合的．
例2 (1)C　E　(2)在C中未記下兩細繩套的方向　E中未說明是否把橡皮條的結點拉到了同一位置O
解析　(1)根據驗證力的平行四邊形定則的操作規程可知，有重要遺漏的步驟的序號是C、E.
(2)C中未記下兩細繩套的方向．E中未說明是否把橡皮條的結點拉到了同一位置O.
[規范思維]　注意到拉力既有大小，又有方向，在本實驗的操作中，一定要記錄力的這兩個要素．
[針對訓練]
①BD　②BD
1．ACD　[從橡皮條固定點到O點的連線方向，是合力的作用線方向，如果O點變動，那么合力的大小、方向都要變化，就不能驗證力的平行四邊形定則，故A選項錯；C選項中，因一個彈簧秤已拉到最大量程，再通過另一個彈簧秤拉橡皮條到O點時，第一個彈簧秤可能超過最大量程，造成損壞，或讀數不準，故C選項錯；互成角度的兩個力是利用平行四邊形定則合成的，兩個分力成任意角度都適用，不必成90°角，故D選項錯．]
2．B
3．ABCD
4．(1)BCD　(2)A　(3)甲
解析　(1)實驗中的分力與合力的關系必須滿足：
|F1－F2|(2)A
(3)甲　實驗中F3是豎直向下的．
5．(1)bcd　(2)要換不同的小重物
解析　(1)運用等效思想來驗證平行四邊形定則，即要驗證以兩力為平行四邊形的鄰邊，作平行四邊形，其對角線是否和合力相符．本小題中結點受三個力，其中兩個力的合力與第三個力等大反向，故要測出各力的大小和方向，然后作出各力的圖示，以兩邊為鄰邊做平行四邊形，如果在實驗誤差允許的范圍內平行四邊形的對角線與第三個力等大反向，即可驗證．為測量各力的大小故需要記錄橡皮筋原長、懸掛重物后的長度以及懸掛重物后O點的位置，故應選b、c、d.
(2)可以通過改變小重物改變各力的大小．
6．(1)F1　0.05　(2)C
解析　(1)A傳感器中的力均為正值，故A傳感器對應的是表中力F1，平衡時，mg＝F1·sin θ，當θ＝30°時，F1＝1.001 N，可求得m＝0.05 kg.
(2)在掛鉤碼之前，對傳感器進行調零，目的是為了消除橫桿自身重力對結果的影響，故C正確．
7．(1)兩彈簧秤的讀數　(2)結點O的位置　(3)兩細線的方向　(4)彈簧秤的讀數　(5)細線的方向　(6)作圖象時以O點為起點作F1、F2、F′的圖示，且要按同一比例；要用三角板和刻度尺規范地作出平行四邊形．
8．(1)3.00　(2)5.2±0.2　(3)F′近似在豎直方向，且數值與F近似相等
9．(1)2.50　4.00　(2)見解析圖
(3)B圖　誤差原因見解析
解析　(1)彈簧測力計的最小刻度為0.1 N，讀數時應估讀一位，所以讀數分別為2.50 N和4.00 N.
(2)取一個小方格的邊長表示0.50 N，作出兩個力及它們的合力．
(3)F′是用一個測力計拉橡皮條所得到的，其方向一定在橡皮條所在直線上，所以B圖符合實際，誤差的原因主要是彈簧測力計讀數誤差，確定分力方向不夠準確等原因．

展開更多......

收起↑