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- 2021-05-26 发布
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实验三 验证力的平行四边形定则
【基本要求】
一、实验目的
1.验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则.
2.培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力.
二、实验原理
互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F′产生相同的效果,看F1、F2用平行四边形定则求出的合力F与F′在实验误差允许范围内是否相等.
三、实验器材
木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺、铅笔.
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,使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置O,如图所示,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和细绳套的方向.
5.改变两弹簧测力计拉力的大小和方向,再重做两次实验.
【方法规律】
一、数据处理
1.用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线,
按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力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方向作出实验步骤4中弹簧测力计的拉力F′的图示.
3.比较F与F′是否完全重合或几乎完全重合,从而验证平行四边形定则.
二、注意事项
1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后互钩对拉,读数相同.
2.在同一次实验中,使橡皮条拉长时,结点O位置一定要相同.
3.用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时,夹角不宜太大也不宜太小,在60°~100°之间为宜.
4.实验时弹簧测力计应与木板平行,读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度,在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下,拉力的数值尽量大些.
5.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点连接,即可确定力的方向.
6.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.
三、误差分析
1.弹簧测力计本身的误差.
2.读数误差和作图误差.
3.两分力F1、F2间的夹角θ越大,用平行四边形定则作图得出的合力F的误差ΔF也越大.
对实验原理和操作的考查
某同学用钩码和弹簧测力计做“验证力的平行四边形定则”实验.
(1)请将实验内容补充完整:
A.将一根橡皮筋的一端固定在贴有白纸的竖直平整木板上,在另一端绑上两根系有细绳套的细线.
B.其中一根细线挂上5个质量相等的钩码(每个钩码质量均为50 g),使橡皮筋拉伸,如图甲所示,记录________、结点的位置O和细线方向.
C.将图甲中钩码取下一个,并将细线用一光滑铁钉B(可随时固定)支开,在另一细线上挂上弹簧测力计,使两细线成一定角度,拉弹簧测力计,如图乙所示,图中α、β可测定,当=时,橡皮筋正好位于竖直方向且橡皮筋
与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合,此时弹簧测力计的示数应为________N(当地重力加速度g=10 m/s2).
(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
[解析] (1)由实验原理可知本实验利用等效替代法来验证“力的平行四边形定则”,图甲中钩码的重力即合力大小,细线方向即合力方向,所以应记录钩码的个数(细线上的拉力)、结点O的位置和细线方向,在用钩码和弹簧测力计一起拉橡皮筋时,一定要将橡皮筋与细线结点的位置与步骤B中结点的位置O重合,此时应记录钩码个数、弹簧测力计示数及对应的细线方向,分析图乙中结点的受力情况可得水平方向有4mgcos α=Fcos β,代入数据得弹簧测力计的示数应为F=3mg=1.5 N.
(2)由(1)知是等效替代法.
[答案] (1)钩码的个数(细线上的拉力) 1.5 (2)B
对实验数据处理和误差分析的考查
小明通过实验验证力的平行四边形定则.
(1)实验记录纸如图甲所示,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.实验装置如图乙所示,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拉动 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丙所示. 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 时所受水平拉力 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________. (选填选项前的字母)
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1所示.
(2)重物受力情况如图2所示,由于重力不变,两次实验时,橡皮筋拉力FT的方向相同,故水平拉力F大小相等,即Fa=Fb.
(3)根据题图丙可知,选项B、D正确,A、C错误.
(4)橡皮筋拉伸不宜过长,选用新橡皮筋等可减小误差.
[答案] (1)见解析图(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)
以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现拓展性、开放性、探究性等特点.对本实验的迁移创新可能从以下角度进行:
1.考查对实验原理的理解、实验方法的迁移.
2.实验器材的改进
(1)用橡皮筋 弹簧秤:三个相同的橡皮筋,可将三个橡皮筋系于一点,互成角度地将它们拉长,记下各自的拉力方向,伸长后的长度,并测出原长,根据伸长量确定三个拉力的大小关系,再结合力的图示作图验证平行四边形定则.
(2)使用力传感器: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.
(3)钩码 弹簧秤.
(2017·衡阳模拟)如图所示,某实验小组同学利用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:(g取10 m/s2)
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
1.001
0.580
…
1.002
…
F2
-0.868
-0.291
…
0.865
…
θ
30°
60°
…
150°
…
(1)根据表格,A传感器对应的是表中力________(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