2020高考物理精优大一轮复习人教通用版讲义：第2单元相互作用物体平衡实验三　验证力的平行四边形定则

实验三　验证力的平行四边形定则

一、实验目的

1.学会用弹簧测力计和细线测出力的大小与方向.

2.运用力的图示法探究互成角度的两个共点力合成时遵循　　　　　　　　. 

二、实验原理

一个力F'的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到　　　　,所以力F'就是这两个力F1和F2的合力,作出力F'的图示.再根据平行四边形定则作出力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,若相同,则说明互成角度的两个力合成时遵循　　　　　　　　　. 

三、实验器材

方木板一块、白纸、弹簧测力计(两只)、　　　　、短绳、细绳套(两个)、　　　　、图钉(几个)、细芯铅笔. 

四、实验步骤

1.用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上,并用图钉把橡皮条的一端固定在A点,橡皮条的另一端拴一短绳,短绳的另一端拴上两个细绳套.

图S3-1

2.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S3-1所示,记录两只弹簧测力计的读数,用铅笔描下O点的位置及此时两个细绳套的　　　　. 

3.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　　　　. 

4.用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力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.用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出只用一只弹簧测力计时的拉力F'的图示.

6.比较一下力F'与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向是否　　　　. 

热点一　实验原理与实验操作

每次实验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.由于力不仅有大小,还有方向,若两次橡皮条的伸长长度相同但结点位置不同,则说明两次效果不同,不满足合力与分力的关系,不能验证平行四边形定则.

图S3-2

例1 某同学用如图S3-2所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”.弹簧测力计A挂于固定点P,下端用细线挂一重物M.弹簧测力计B的一端用细线系于O点,手持另一端向左拉,使结点O静止在某位置.分别读出弹簧测力计A和B的示数,并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向.

(1)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N,图中A的示数为　　　　N. 

(2)下列实验要求中不必要的是　　　　(填选项前的字母). 

A.应测量重物M所受的重力

B.弹簧测力计应在使用前校零

C.拉线方向应与木板平面平行

D.改变拉力,进行多次实验,每次都要使O点静止在同一位置

(3)某次实验中,该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程,请你提出两个解决办法:

①　. 

②　. 

■ 要点总结

实验操作注意事项

(1)不要直接以橡皮条的端点为结点,可拴一短细绳连接两个细绳套,以三绳交点为结点,且应使结点小些,以便准确地记录结点O的位置.

(2)使用弹簧测力计前,应先校零,使用时不能超过量程,拉弹簧测力计时,应使弹簧测力计与木板平行.被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致,拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦.

(3)在同一次实验中,橡皮条伸长时的结点位置要相同.

(4)两个拉力F1和F2的夹角不宜过小,作力的图示时,标度要一致.

(5)读数时应正对、平视刻度.

热点二　数据处理

例2 某实验小组用一只弹簧测力计和一个量角器等器材验证力的平行四边形定则,设计了如图S3-3所示的实验装置,固定在竖直木板上的量角器的直边水平,橡皮筋的一端固定于量角器圆心O的正上方A处,另一端系绳套1和绳套2.主要实验步骤如下:

图S3-3

a.弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮筋,使橡皮筋的结点到达 O处,记下弹簧测力计的示数F;

b.弹簧测力计挂在绳套1上,手拉着绳套2,缓慢拉橡皮筋,使橡皮筋的结点到达O处,此时绳套1沿0°方向,绳套2沿120°方向,记下弹簧测力计的示数F1;

c.根据力的平行四边形定则计算出绳套1的拉力F'1=　　①　　; 

d.比较　　②　　,若在误差允许范围内相同,则可初步验证; 

e.只改变绳套2的方向,重复上述实验步骤.

回答下列问题:

(1)完成实验步骤:①　　　　;②　　　　. 

(2)将绳套1由0°方向缓慢转动到60°方向,同时绳套2由120°方向缓慢转动到180°方向,此过程中保持橡皮筋的结点在O处不动,保持绳套1和绳套2的夹角为120°不变.关于绳套1的拉力大小的变化,下列结论正确的是　　　　(填选项前的字母). 

A.逐渐增大 

B.先增大后减小

C.逐渐减小 

D.先减小后增大

变式题 某同学在做“探究求合力的方法”实验时,把橡皮条的一端用图钉固定于P点,同时用两个弹簧测力计将橡皮条的另一端拉到位置O,这时两弹簧测力计的示数分别为FA=4.0 N、FB=3.5 N,其位置记录如图S3-4所示.若橡皮条的活动端仅用一个弹簧测力计拉到位置O,弹簧测力计的示数为FC=6.0 N,其位置记录如图S3-4所示.

图S3-4

(1)用3 mm表示1 N,在图S3-4中作出力FA、FB和FC的图示.

(2)根据平行四边形定则在图S3-4中作出FA和FB的合力F,F的大小为　　　　 N. 

(3)该实验　　　　(选填“能”或“不能”)验证力的平行四边形定则. 

■ 要点总结

本实验涉及的数据记录和处理主要是通过规范作图和准确标度来实现的,其中涉及弹簧测力计的读数要注意遵守有效数字的读数规则.

1.有同学利用如图S3-5所示的装置来验证力的平行四边形定则:在竖直木板上铺有白纸,固定两个光滑的滑轮A和B,将绳子打一个结点O,每个钩码的重量相等,当系统达到平衡时,根据钩码个数读出三根绳子的拉力大小F1、F2和F3.回答下列问题:

图S3-5

(1)按下列方式改变钩码个数,实验能完成的是　　　　(填选项前的字母). 

A.钩码的个数N1=N2=2,N3=4

B.钩码的个数N1=N3=3,N2=4

C.钩码的个数N1=N2=N3=4

D.钩码的个数N1=3,N2=4,N3=5

(2)在拆下钩码和绳子前,最重要的一个步骤是　　　　(填选项前的字母). 

A.标记结点O的位置,并记录OA、OB、OC三段绳子的方向

B.量出OA、OB、OC三段绳子的长度

C.用量角器量出三段绳子之间的夹角

D.用天平测出钩码的质量

(3)在作图时,你认为图S3-6中　　　　(选填“甲”或“乙”)是正确的. 

图S3-6

2.如图S3-7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,可在固定的板上沿圆弧移动.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:

图S3-7

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;

⑤重复上述实验步骤,得到数据见下表.

(1)根据表格数据,A传感器对应的是表中力　　　　(选填“F1”或“F2”).钩码质量为　　　　kg(g取10 m/s2,结果保留一位有效数字). 

(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　　　　(填选项前的字母). 

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

3.小白用如图S3-8所示的装置验证“力的平行四边形定则”,其部分实验操作如下,请完成下列相关内容:

图S3-8

a.在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O;

b.卸下钩码,然后将两细绳套系在弹簧下端,用两弹簧测力计钩住细绳套将弹簧末端拉到同一位置O,记录细绳套AO、BO的　　　　及两弹簧测力计相应的读数,图S3-9中B弹簧测力计的读数为　　　 N; 

图S3-9

c.小白在坐标纸上画出两弹簧测力计拉力FA、FB的大小和方向如图S3-10所示,请你用作图工具在图中坐标纸上作出FA、FB的合力F';

d.已知钩码的重力,可得弹簧所受的拉力F如图S3-10所示;

图S3-10

e.最后观察比较F和F',得出结论.

4.一同学用电子秤、水壶、细线、墙钉和贴在墙上的白纸等物品,在家中验证力的平行四边形定则.

图S3-11

(1)如图S3-11甲所示,在电子秤的下端悬挂一装满水的水壶,记下水壶　　　　时电子秤的示数 F; 

(2)如图乙所示,将三细线L1、L2、L3的一端打结,另一端分别拴在电子秤的挂钩、墙钉A和水壶带上,水平拉开细线L1,在白纸上记下结点O的位置、　　　　　　　　和电子秤的示数F1; 

(3)如图丙所示,将另一颗墙钉B钉在与O同一水平位置上,并将L1拴在其上,手握电子秤沿着(2)中L2的方向拉开细线L2,使　　　　　　　　和三根细线的方向与(2)中重合,记录电子秤的示数F2; 

(4)在白纸上按一定标度作出电子秤拉力F、F1、F2的图示,根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F'的图示,若　　　　　　　　,则平行四边形定则得到验证. 

5.用如图S3-12甲所示的装置做“验证力的平行四边形定则”实验.

图S3-12

(1)某同学的实验操作如下,请完成相关内容:

①在桌面上放一方木板,在方木板上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在方木板上;

②用图钉把橡皮条一端固定在A点,另一端系上两条细绳,细绳的另一端系有绳套;

③用两个弹簧测力计分别钩住绳套,互成角度地拉橡皮条,使结点到达某一位置O,记下O点的位置,读出两个弹簧测力计的示数,并　　　　　　　　　　　　　　　; 

④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F;

⑤只用一个弹簧测力计,通过细绳把橡皮条的结点拉到同样的位置O,　　　　　　　　　　　　　　　　,记下细绳的方向,按同一标度作出这个力F'的图示. 

(2)某次实验中弹簧测力计的示数如图乙所示,则a、b两弹簧测力计的拉力的大小分别为　　　　N、　　　　N. 

(3)某同学完成“验证力的平行四边形定则”实验操作后得到的数据如图S3-13所示,请选好标度后在方框中作图完成该同学未完成的实验处理.写出得到的实验结论: 

　. 

图S3-13

(4)若两个弹簧测力计的读数分别为3.00 N、4.00 N,且两弹簧测力计拉力方向的夹角为锐角,则能不能用一个量程为5 N的弹簧测力计测出它们的合力?理由是什么?