实验 验证力的平行四边形定则(课件)-高中物理课件（人教版2019必修第一册）

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第三章 相互作用——力实验 探究互成角度的两个共点力的合成验证共点的两个力合成的平行四边形法则 【实验目的】 本实验通过互成角度的两个力同时作用与一个力产生相同的效果（即：使橡皮条在某一方向上伸长一定的长度）相同，用平行四边形定则求出两个力的合力与那一个力比较，如果在实验允许的误差范围内大小、方向相同，就验证了力的平行四边形法则。 【实验原理】【实验步骤】 方木板、白纸、弹簧秤(两个)、橡皮条、铅笔、细绳套、三角板、刻度尺、图钉(几个)。【实验器材】(4)用铅笔记下O点的位置和两条细绳的方向，读出两个弹簧的示数F1和F2。(在使用弹簧秤的时候，要注意使弹簧秤与木板平面平行。)(5)用铅笔和刻度尺在白纸上从O点沿着两条细绳的方向画直线，按着一定的标度作出两个力F1和F2的图示。以F1和F2为邻边利用刻度尺和三角尺作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，求出合力F的图示。(6)只用一只弹簧，通过细绳把橡皮条的结点拉到同样位置O。读出弹簧的示数F＇，记下细绳套的方向，用刻度尺从O点按同一标度作出这个F＇的图示。(7)比较力F＇与用平行四边形法则求得的合力F的大小和方向，看看在实验误差范围内是否相等。(8)改变两分力F1、F2的大小和夹角，再重复做两次实验。演示实验记录效果记录方向如何保证用两个弹簧秤和一个弹簧秤拉动橡皮筋的力是等效的？弹簧秤、细绳、橡皮条是否必须与木板平行 ？两个分力的大小是用绳长表示吗？如何减小本实验的偶然误差？两个分力所用的细绳可以用橡皮绳代替吗？ F 与 F′ 谁是理论值，谁是测量值？回顾实验(1)学生实验统一配备的J2104型测力计的量程是0～5N，最小分度是0.1N。用来测量F1和F2的两只弹簧秤应同规格、性能相同。使用时应注意：使用前先将测力计的指针调好零位，再将两个测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，两者示数相同方可使用。读数时，应准确到0.1 N。(2)实验中的两只细绳套不要太短。(3)使用弹簧秤测拉力时，弹簧秤、橡皮条、细绳应在与纸面平行的平面内。使用测力计拉细绳套时，要使测力计的弹簧与细绳套在同一直线上，避免弹簧与测力计壳、测力计限位卡之间有摩擦。【注意事项】(4)使用弹簧秤测拉力时，拉力应应适当的大一些，但不要超出量程。实验时，不得使合力大于5 N。(5)选用的橡皮条应富有弹性，能发生弹性行变。注意要缓缓拉，不要拉过头。(6)同一次实验中，橡皮条拉长后的结点位置应不变。(7)在同一次实验中，画力的图示选定的标度要相同。画力的图示，要选用恰当的标度；做力的合成图时，应将图尽量画大一些。(8)实验总是有误差的。直接测出的力F与用平行四边形法则求出的合力F合不可能完全重合，但在误差范围内可认为重合。(1)测力计使用前要校准零点。(2)方木板应水平放置。(3)弹簧伸长方向和所测拉力方向应一致，并与木板平行。(4)两个分力和合力都应尽可能大些。(5)拉橡皮条的细线要长些，标记两条细线方向的两点要尽可能远些。(6)两个分力间的夹角不宜过大或过小，一般取60°—120°为宜。 【减小误差的方法】考点一 实验原理与操作某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳.图乙是在白纸上根据实验结果画出的图.图甲　　　 　图乙（1）如果没有操作失误，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是　　　　.（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（3）实验时，主要的步骤是：A.在桌上放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上B.用图钉把橡皮筋的一端固定在板上的A点，在橡皮筋的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端系着绳套C.用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮筋，使橡皮筋伸长，结点到达某一位置O，记录下O点的位置，读出两个弹簧测力计的示数D.按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力FE.只用一个弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮筋使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示F.比较F′和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论上述步骤中：①有重要遗漏的步骤的序号是　　和　　；②遗漏的内容分别是____________________________________________________________.解析：（1）由一个弹簧测力计拉橡皮筋至O点的拉力一定沿AO方向；而根据平行四边形定则作图出的合力，由于误差的存在不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F′.（2）一个力的作用效果与两个力的作用效果相同，它们的作用效果可以等效替代，故B正确.（3）①据“平行四边形定则实验”操作规程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E.②在C中未记下两细绳的方向；在E中未说明是否把橡皮筋的结点拉至同一点O.答案：（1）F′　（2）B　（3）①C　E　②C中应加上“记下两条细绳的方向”，E中应说明“把橡皮筋的结点拉到同一位置O”实验操作中的三点体会1.由于要保证两次操作拉力的效果相同，所以在同一次实验中，结点O的位置不能改变.2.由于要用力的图示作图，所以除了记录结点O的位置之外，还需要记录F1，F2的大小、方向以及F3的大小和方向.3.在坐标纸上作图时，需根据坐标纸大小，合理的确定标度，尽量减小由作图及测量带来的误差.考点二 数据处理与误差分析某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴（横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示1 mm）的纸贴在桌面上，如图（a）所示.将橡皮筋的一端Q固定在y轴上的B点（位于图示部分之外），另一端P位于y轴上的A点时，橡皮筋处于原长.（1）用一个测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O.此时拉力F的大小可由测力计读出.测力计的示数如图（b）所示，F的大小为　　　　N.（2）撤去（1）中的拉力，橡皮筋P端回到A点，现使用两个测力计同时拉橡皮筋，再次将P端拉至O点.此时观察到两个拉力分别沿图（a）中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读出两个拉力的大小分别为F1＝4.2 N和F2＝5.6 N.①用5 mm长度的线段表示1 N的力，以O为作用点，在图（a）中画出力F1、F2的图示，然后按平行四边形定则画出它们的合力F合；②F合的大小为　　　　N，F合与拉力F的夹角的正切值为　　　　.若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了力的平行四边形定则.解析：（1）由题给测力计示数可知，读数为4.0 N.（2）①利用平行四边形定则作图，如图所示.②由图可知F合＝4.0 N，从F合的顶点向x轴和y轴分别作垂线，顶点的横坐标对应长度为1 mm，顶点的纵坐标长度为20 mm，则可得出F合与拉力F的夹角的正切值为0.05.答案：（1）4.0　（2）①图见解析　②4.0　0.05数据处理时的三点说明1.F1和F2的大小要根据标度画出.2.应用平行四边形定则求合力F合时，F合的大小要根据标度和对角线的长度计算得出.3.由于在测量及作图过程中不可避免地存在误差，所以只要合力F合与拉力F在误差允许范围内相等，即可验证平行四边形定则.考点三 创新实验1.实验器材的变化如图2.分力和合力的变化（1）分力的获得：弹簧测力计的拉力→钩码的重力.（2）合力的获得：弹簧测力计的拉力→重物的重力→钩码的重力.【例题】某同学在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中，测得图中弹簧OC的劲度系数为500 N/m.如图1所示，用弹簧OC和弹簧测力计a、b做“探究求合力的方法”实验.在保持弹簧伸长1.00 cm不变的条件下 （1）若弹簧测力计a、b间夹角为90°，弹簧测力计a的读数是　　　N（如图2所示），则弹簧测力计b的读数可能为　　　N.（2）若弹簧测力计a、b间夹角大于90°，保持弹簧测力计a与弹簧OC的夹角不变，减小弹簧测力计b与弹簧OC的夹角，则弹簧测力计a的读数　　　　、弹簧测力计b的读数　　　　（均选填“变大”“变小”或“不变”）.　图1　　 图2 解析：（1）根据胡克定律，弹簧OC伸长1.00 cm时弹簧的弹力Fc＝kΔx＝500×1.00×10－2 N＝5.00 N；由图2可知弹簧秤a的读数Fa＝3.00 N，根据勾股定理，F＋F＝F，解得Fb＝4.00 N.（2）改变弹簧秤b与OC的夹角时，由于保持弹簧伸长1.00 cm不变，因而Fa与Fb的合力F保持不变，根据平行四边形定则，Fa、Fb合成的平行四边形如图所示（▱OAC′B），当弹簧秤b与OC的夹角变小时，其力的合成的平行四边形为▱OA′C′B′，由图可知a、b两弹簧秤的示数都将变大.答案：（1）3.00　4.00（有效数字不作要求）（2）变大　变大 本实验一般是在教材实验原理的基础上，以实验中操作的注意事项、误差来源设置条件，或通过改变实验条件、实验仪器设置题目.因此要在教材实验的基础上注重器材变化后对分力和合力的分析判断能力的培养，要善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题.A．拴在小圆环上的两根细绳必须等长，并且要尽量长一些B．实验前将两个弹簧测力计调零后水平互钩对拉，选择两个示数相同的测力计C．用两个弹簧测力计同时拉橡皮条时，两个弹簧测力计的示数之差尽可能大D．用两个弹簧测力计同时拉橡皮条时，拴在小圆环上的两根细绳夹角要尽量小B1．如图所示，某同学探究两个互成角度力的合成规律。轻质小圆环挂在橡皮条一端，另一端固定在A点。通过两个弹簧测力计共同拉动小圆环。小圆环受到力F1、F2的共同作用，处于O点。撤去F1、F2，改用一个力F单独拉住小圆环，仍使它处于O点。下列操作有利于减小实验误差的是（　　）2．在“验证力的平行四边形定则”的实验中，某小组利用如图所示的装置完成实验，橡皮条的一端C固定在木板上，用两只弹簧测力计把橡皮条的另一端拉到某一确定的O点。则下列叙述正确的是（　 　）A．如图中F是理论值，F＇是实际值B．两次操作必须将橡皮条和绳的结点拉到相同位置C．实验左图中AO和BO的夹角应尽可能大D．在实验中，弹簧秤必须保持与木板平行，读数时视 线要正对弹簧秤的刻度线E.本实验的方法是“等效替代法”ABDE3．在“验证力的平行四边形定则”这一实验中，如图所示，两弹簧秤现在的夹角为90°，使b弹簧秤从图示位置开始缓慢转动，在这过程中，保持O点的位置和a弹簧秤的拉伸方向不变，则在整个过程中，关于a、b两弹簧秤示数的变化情况是( )A．a示数增大，b示数减小 B．a示数减小，b示数增大C．a示数减小，b示数先增大后减小D．a示数减小，b示数先减小后增大 B感谢您的耐心聆听I'd like to finish by saying how grateful I am for your attention.