人教版 高中物理必修1课件-第3章 实验2 验证力的平行四边形定则 26页

一、实验目的 (1)练习用作图法求两个力的合力。 (2)验证互成角度的两个力合成的平行四边形定则。 二、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′与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。 三、实验器材 方木板、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳套、 三角板、刻度尺、图钉(若干)。 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，使橡皮条伸长到某 一位置O，如图实－2－1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。 图实－2－1 (4)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读数F1和F2的图示， 并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形，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。 (5)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和细绳的方向，用刻度 尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这只弹簧测力计的拉 力F′的图示。 (6)比较力F′与平行四边形定则求出的合力F在大小和方 向上是否相同。 (7)改变两个力F1与F2的大小和夹角，再重复实验两次。 五、误差分析 1．误差来源 除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误 差等。 2．减小误差的办法 (1)实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻 度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。 (2)作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边 一定要平行。 (3)因两个分力F1、F2间的夹角θ越大，用平行四边形 定则作出的合力F的误差ΔF就越大，所以，实验中不要把θ 取得太大，但也不宜太小，以60°～120°之间为宜。 六、注意事项 (1)不要直接以橡皮条端点为结点，可拴一短细绳连两 细绳套，以三绳交点为结点，应使结点小些，以便准确地 记录结点O的位置。 (2)在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点O的位置一定 要相同。(保证作用效果相同) (3)不要用老化的橡皮条，检查方法是用一个弹簧测力计 拉橡皮条，要反复做几次，使橡皮条拉到相同的长度看弹簧 测力计读数有无变化。 (4)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， 去掉细绳套后，再将所标点与O点连直线确定力的方向。 (5)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。 (6)用两个弹簧测力计勾住细绳套互成角度地拉橡皮 条时，其夹角不宜太小，也不宜太大，以60°到120°之 间为宜。 [例1]　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 与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端 通过细绳挂一重物，如图实－2－2所示 图实－2－2 (1)为完成实验，下述操作中不需要的是________。 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]　(1)必需测量橡皮筋的原长和悬挂重物后橡皮筋 的长度，这样才能确定橡皮筋的伸长量，但是不需要测细绳 的长度。确定各力的大小，还需记录悬挂重物后结点O的位置， 同时记下三条橡皮筋所在的方向，以便确定各拉力的方向， 根据平行四边形定则做出合力的图示。因此，(1)中不需要的 是A。 (2)改变条件再次验证可采用更换不同的小重物的方法。 [答案]　(1) A　(2)更换不同的小重物 [例2]　将橡皮筋的一端固定在A点，另一端拴上两 根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为 0.1 N的弹簧测力计，每个沿着不同的方向拉弹簧测力计。 当橡皮筋的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图 实－2－3所示。这时弹簧测力计读数可从图中读出。 图实－2－3 (1)由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为 ________ N和________ N。 (2)在图实－2－4中的方格纸上按作图法的要求画出这 两个力及它们的合力。 图实－2－4 [解析]　两弹簧测力计的读数分别为4.00 N和2.50 N， 作出合力如下图所示。 [答案]　(1)4.00　2.50　(2)见解析图 [例3]　在课外活动小组进行研究性学习的过程中，某 研究小组设计了一个实验来验证力的平行四边形定则，其 设计方案为：用三根相同的橡皮条、四个图钉、一把直尺 和一支铅笔、三张白纸、平木板来验证力的平行四边形定 则。其步骤如下： ①将拴有橡皮条的图钉A、B适当张开钉在木板上，拉 第三根橡皮条，使三根橡皮条互成角度拉伸，待结点处的 图钉O静止时，钉下C图钉，并记录图钉O的位置和图钉A、 B、C的位置。 ②将x1、x2、x3按一定比例图示表示出来，以x1、x2为邻 边作平行四边形，求出其对角线OC′，比较OC′与OC的长度(即 x3的长度)及方向，若相等，且在一条直线上，则达到目的，若 OC′与OC有一微小夹角θ，则有误差(如图实－2－5所示)： 图实－2－5 ③测出此时这三根橡皮条的长度L1、L2、L3，分别算出它 们的伸长量x1＝L1－L0，x2＝L2－L0，x3＝L3－L0。 ④将三根橡皮条的一端都拴在一个图钉O上，将这三根橡 皮条的另一端分别拴上图钉A、B、C，注意此时四个图钉均未 固定在板上。 ⑤用刻度尺测出橡皮条的自由长度L0，注意从图钉脚之间 测起。 (1)请你确定该研究小组的实验步骤的顺序是__________。 (2)对于本实验下列论述中错误的是________。 A．实验中用到了图钉O受到三个共面共点力而静止，任 意两个力的合力与第三个力大小相等、方向相反的原理，使合 力和分力在一次实验中全部出现，从而简化了实验的过程 B．实验中用到了胡克定律，简化了力的测量，可以不用 弹簧测力计就完成实验 C．由于实验中总有OC′与OC的微小夹角θ，故实验有误 差，该方法不可取 D．三根橡皮条不能做到粗细、长短完全相同，是该实验 的主要误差来源之一 [解析]　(1)该实验的过程中应该首先将三根橡皮条拴 在图钉上，这样便于测橡皮条的原长，之后就要固定两个 图钉拉第三根橡皮条到适当的位置进行实验，把第三个图 钉也固定好后就可测每根橡皮条的长度并计算出伸长量， 最后按照胡克定律转换成力，作出力的图示进行实验研究， 所以正确的实验步骤是④⑤①③②。 (2)该实验的关键是应用三个共点力平衡的推论进行实验原 理的改进，应用胡克定律将测量力的大小转换为测橡皮条的长 度，所以选项A、B都正确；任何实验都有误差，误差是不可避 免的，不能因为有误差就把实验完全否定，故选项C错误；实 验的误差有系统误差和偶然误差，都是不可避免的，该实验也 是一样的，从系统误差来看，影响该实验的主要因素不是原理， 而是器材，特别是橡皮条的长短和粗细，所以说三根橡皮条不 能做到粗细、长短完全相同，是该实验的主要误差来源之一， 故选项D也是对的。 [答案]　(1)④⑤①③②　(2)C