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- 2021-05-13 发布
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第2章_第4讲_实验:验证力的平行四边形
一、验证力的平行四边形定则
1.实验目的:验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则.
2.实验原理:等效法:两个力F1、F2共同作用使橡皮条伸长到结点O,单独一个力F′作用也使橡皮条伸长到结点O,这一个力F′就是前两个力F1和F2的合力.作出F′的图示,再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的大小和方向是否相同.3.实验器材
方木板、白纸、弹簧秤(两只)橡皮条、细绳套(两个)三角板、刻度尺、图钉若干、细芯铅笔.
4.实验步骤:(1)用图钉把白纸固定在水平桌面的方木板上.
(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)用两只弹簧秤分别钩住细绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长到某一位置O,如图241,记录 两弹簧秤的读数 ,用铅笔描下 O点位置 及此时 两条细绳套 的方向.
(4)用铅笔和刻度尺从O点沿两条细绳方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧秤的读数F1和F2的图示,以 F1、F2为邻边 用铅笔及刻度尺作平行四边形,两邻边所夹的对角线即为合力F的图示.
(5)只用一只弹簧秤钩住细绳套,把橡皮条的结点拉到同一位置O.记下此时 弹簧秤的示数F′ 及 细绳的方向 ,用刻度尺按同样的标度作出F′的图示.
(6)比较F′与F的大小和方向.
(7)改变F1、F2的大小和夹角,重复做两次实验,得出结论.
二、探究弹力和弹簧伸长的关系1.实验目的
(1)探究弹力和弹簧伸长量的定量关系;(2)学会使用列表法、图象法、函数法处理实验数据.
2.实验原理
在竖直悬挂的轻弹簧下端悬挂砝码,平衡时弹力大小等于 砝码的重力 ,用刻度尺量出弹簧的伸长量 ,改变砝码数量,重复上面实验,就可以定量地找出弹力与伸长量之间的关系.
3.实验器材:弹簧、毫米刻度尺、铁架台、钩码若干、 坐标纸 .
4.实验步骤;(1)如图242,将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0,即原长.
(2)在弹簧下端挂钩码,测出弹簧总长度l,计算出弹簧的伸长量x和钩码的重力mg.
(3)改变(增加)钩码数量依次测出弹簧长度和钩码总重力,列表记录.
(4)以弹力F(大小等于 所挂钩码的重力 )为纵坐标,以 弹簧伸长量x 为横坐标建立坐标系,根据所测数据描点,拟合各点,得出弹力F和弹簧伸长量x的图线.(5)以 弹簧伸长量 为自变量,写出曲线所代表的函数.首先尝试一次函数,如果不行再考虑二次函数.(6)得出弹力和弹簧伸长量之间的定量关系,解释函数表达式中常数的物理意义.
三、注意事项
(1)在本实验中,以橡皮条的伸长(结点到达某一位置)来衡量力的作用效果,因此,在同一次实验中应使两种情况下结点达到同一位置. (2)在不超过弹簧秤的量程和橡皮条形变不超过其弹性限度的条件下,应使拉力尽量大一些.
(3)画力的图示时,标度的选取应恰当,并且要相同,要严格按几何作图法求合力,同时还要把力的图示作得稍大一些.
例1:在“验证力的平行四边形定则”的实验中,其中的三个实验步骤如下:
(1)在水平放置的木板上垫一张白纸,用图钉固定,把橡皮条的一端固定在木板上,另一端拴两根细线,通过细线同时用两个测力计互成角度地拉橡皮条,使它与细线的结点到达某一位置O点,在白纸上记下O点和两测力计的读数F1和F2.
(2)在纸上根据F1和F2的大小,应用平行四边形定则作图求出合力F.
(3)只用一只测力计通过细绳拉橡皮条,使它的伸长量与两测力计拉时相同,记下此时测力计的读数F′和细绳的方向.以上三个步骤中均有错误或疏漏,请指出:
(1)中是________(2)中是________(3)中是________
解析:步骤(1)中未记下细线的方向.步骤(2)中除F1、F2的大小之外,还应根据F1、F2的方向才能准确作图.步骤(3)中应将橡皮条与线的结点拉至原位置O点.
例2:(2009·山东)请完成以下两小题.
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3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:细绳的长度与橡皮筋的伸长量无关.三根橡皮筋劲度系数相同,产生的弹力与伸长量成正比.从伸长后长度和原长的差即可以得到其伸长量,记录下O点位置,则可确定两边弹力方向,即OA方向和OB方向
答案: bcd 更换不同质量的小重物
例3:下表是某同学为探索弹簧的弹力和伸长的关系所测的几组数据.
弹力F/N
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
伸长x/cm
2.3
5.08
6.89
9.8
12.4
(1)请你在图244的坐标线上作出F-x图线.(2)写出曲线所代表的函数式.
(3)解释函数表达式中的常量的物理义.
解析:(1)根据表中数据描点,按照图中各点的分布与走向,应作出一条直线,使直线两侧的点数大致相同.这样可以减少偶然误差.如图244所示.
(2)设直线斜率为k,由数学知识知,F=kx+C.在直线上取较远的两点(可以减小误差),如点
(9.8,2.0)与(2.3,0.5),并代入上式得k=0.2N/cm,C=0.04N,所以函数表达式为:F=(0.2x+0.04)N.(3)由F=kx+C知,当x=0时,F=C,因此,式中常数C表示弹簧的重力为0.04N.若忽略弹簧的重量,则F=kx.因此,式中常数k=F/x表示使弹簧形变单位长度时弹簧的弹力,即劲度系数.