高中物理第三章相互作用实验：验证力的平行四边形定则2讲义新人教版必修

实验：验证力的平行四边形定则实验目的和器材实验目的1.验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则。2.练习使用弹簧测力计。3.练习用作图法求两个力的合力。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(若干)、铅笔实验原理1.若用一个力F′或两个力F1和F2共同作用都能把橡皮条沿某一方向拉至相同长度,即力F′与F1、F2的共同作用效果相同,那么F′为F1、F2的合力。2.用弹簧测力计分别测出F′和F1、F2的大小,并记下它们的方向,作出F′和F1、F2的图示,以F1、F2的图示为邻边作平行四边形,其对角线即为用平行四边形定则求得的F1、F2的合力F。3.比较F′和F,若它们的长度和方向在误差允许的范围内相等,则可以证明平行四边形定则的正确性。【实验过程】一、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F1和F2,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的结点拉到同样的位置O,记下弹簧测力计的读数F′和细绳套的方向。5.改变两个力F1与F2的大小和夹角再重复实验两次。二、数据处理1.用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套的方向画直线,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,此对角线即为合力F的图示。2.用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的F′的方向作出这只弹簧测力计的拉力F′的图示。3.比较F′和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。【实验探究】1.在实验中,每次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?若仅保持两次橡皮条的伸长长度相同而不使橡皮条的结点拉到同一位置,能否验证平行四边形定则?提示：(1)每次实验必须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。(2)由于力是矢量,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。2.本实验中对两只弹簧测力计有何要求?使用时应注意哪些问题?提示：(1)本实验中的两只弹簧测力计的选取方法：将两只弹簧测力计调零后互钩水平对拉过程中,读数相同,则可选;若读数不同,应另换或调校,直至相同为止。(2)使用弹簧测力计测力时,读数应尽量大些,但不能超出它的测量范围。(3)被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致,拉动时弹簧及挂钩不可与外壳相碰以避免产生摩擦。(4)读数时应正对、平视刻度。3.本实验中哪些方面容易导致误差的产生?如何减小误差?提示：(1)读数误差。减小读数误差的方法：选择相同的弹簧测力计并调整好零刻度;弹簧测力计指示数值在允许的情况下,尽量大一些,读数时视线要垂直于刻度盘,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：①严格作图,作图时两力的对边一定要平行;②实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大,但也不宜过小,以60°到120°之间为宜;③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。类型1

实验原理和误差分析【典例1】李明同学在做“探究求合力的方法”实验时,利用坐标纸记下了橡皮筋的结点位置O点以及两只弹簧测力计拉力的大小,如图所示。(1)试在图中作出无实验误差情况下F1和F2的合力图示,并用F表示此力。(2)有关此实验,下列叙述正确的是

。A.两弹簧测力计的拉力可以同时比橡皮筋的拉力大B.橡皮筋的拉力是合力,而弹簧测力计的拉力是分力C.两次拉橡皮筋时,需将橡皮筋结点拉到同一位置O,这样做的目的是保证两次弹簧测力计拉力的效果相同D.若只增大某一只弹簧测力计的拉力大小而要保证橡皮筋结点位置不变,只需调整另一只弹簧测力计拉力的大小即可(3)如图所示是李明和张华两位同学在做以上实验时得到的结果,其中比较符合实验事实的是

。(力F′是用一只弹簧测力计拉时的图示)(4)在以上实验结果比较符合实验事实的一位同学中,造成误差的主要原因是(至少写出两种情况)

。【解析】(1)用平行四边形定则作图,即以F1、F2为两邻边作平行四边形,对角线OF就表示合力F(标上箭头表明方向)。(2)两分力可以同时大于合力,故A正确;结点受三个力作用处于平衡状态,其中两弹簧测力计的拉力的合力与第三个力——橡皮筋的拉力等大反向,是一对平衡力,而橡皮筋的拉力不是合力,故B错;只有保证结点在同一位置才能说明作用效果相同,故C对;若两个分力的大小变化而方向都不变,则合力必定变化,故D错。(3)作图法得到的F必为平行四边形的对角线,单个弹簧测力计的拉力F′一定与橡皮筋共线,故张华的实验比较符合实验事实。(4)F2的大小比真实值偏小且方向比真实方向偏左;作图时两虚线分别与F1线和F2线不严格平行。(其他合理原因均正确)答案：(1)如图所示(2)A、C

(3)张华(4)见解析类型2

实验原理及数据处理【典例2】(2014·江苏高考)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。实验装置如图所示,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(

)(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)用直尺作出如图所示的力的示意图,得到F合=4.6～4.9N都算对。(2)根据力的平衡F=mgtanθ,所以Fa=Fb,θ为橡皮筋被拉伸的方向与竖直方向的夹角。(3)选B、D。根据题图,两次受到的拉力相同时,橡皮筋第2次的长度较长,B项正确;根据题图,两次被拉伸到相同长度时,即Oa=Ob′,根据F=mgtanθ,橡皮筋第2次受到的拉力较小,C项错误;从题图可以看出,两次受到的拉力相