2021届物理一轮复习教案：12.1.3 实验三　验证力的平行四边形定则 Word版含解析

实验三　验证力的平行四边形定则

基础点

1.实验装置及原理分析图

2．实验目的

(1)学会使用弹簧测力计。

(2)验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则。

(3)学会用作图法处理实验数据和得出实验结论。

3．实验原理

等效思想：使一个力F′的作用效果和两个力F1和F2的作用效果相同，就是使用一条一端固定的橡皮条伸长到同一点O，即伸长量相同，所以F′为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、F′在实验误差允许的范围内是否大小相等、方向相同。

4．实验器材

方木板，白纸，弹簧测力计(两只)，橡皮条，细绳套(两个)，三角板，刻度尺，图钉(几个)。

5．实验步骤

(1)在水平桌面上平放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸固定在方木板上。

(2)用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端各系上细绳套。

(3)用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O，如图所示。

(4)用铅笔描下O点的位置和两条细绳的方向，读出并记录两个弹簧测力计的示数。

(5)用铅笔和刻度尺在白纸上从O点沿两条细绳的方向画直线，按一定的标度作出两个力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点的平行四边形的对角线即为合力F。

(6)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，读出并记录弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度用刻度尺从O点作出这个力F′的图示。

(7)比较F′与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向，看它们在实验误差允许的范围内是否相等。

(8)改变F1和F2的大小和方向，再做两次实验。

重难点

一、弹簧测力计

1．原理：根据胡克定律F＝kx，在弹性限度内，由于弹力的大小与弹簧的形变量成正比，所以弹簧测力计的刻度线是均匀的。

2．弹簧测力计的使用方法

(1)将两个弹簧测力计调零后，互勾并水平对拉，若两个弹簧测力计在对拉的过程中，读数相同，则可选用，若读数不同，应另换，直到相同为止。

(2)弹簧测力计不能在超出它的测量范围的情况下使用。

(3)使用前要检查指针是否指在零刻度线，否则应校正零位。

(4)实际测量时，要使弹簧测力计内弹簧的伸长方向跟拉力的方向在一条直线上。

(5)读数时应正对、平视刻度，要估读到最小刻度的下一位。

二、误差分析

三、注意事项

1．使用弹簧测力计前，要先观察指针是否指在零刻度处，若指针不在零刻度处，要设法调整指针，使其指在零刻度处。再将两只弹簧测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，如果两个示数相同方可使用。

2．实验中的两个细绳套不要太短。

3．在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。

4．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。

5．在用力拉弹簧测力计时，拉力应沿弹簧测力计的轴线方向。弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内。要防止弹簧测力计卡壳，防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦。

6．在同一实验中，画力的图示选定的标度要相同，并且要恰当选定标度，使力的图示稍大一些。

　[考法综述]　本实验在高考中考查的较少，考题主要集中在实验操作、注意事项、几何作图和误差分析几个方面，试题难度不大。复习本实验应着重掌握：

1个工具——弹簧测力计

1种思想——等效思想

1种方法——三力平衡法

命题法1　实验操作及数据的处理

典例1　　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为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳的结点，OB与OC为细绳。图乙是在白纸上根据实验结果画出的图。

(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．用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条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，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，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F1和F2；

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F；

E．只用一个弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数F′，记下细绳的方向，按同一标度作出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__________________________________

和__________________________________________________。

[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“把橡皮条的结点拉到同一位置O”

[解析]　(1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向；而两根弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力，根据平行四边形定则作出两弹簧测力计拉力的合力，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根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作规程可知，有重要遗漏的步骤的序号是C、E。

②在C中未记下两条细绳的方向，E中未说明是否把橡皮条的结点拉到同一位置O。

【解题法】　操作不忘“三”“二”“一”

用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置)，用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)。

命题法2　实验的迁移、拓展与创新

典例2　　有同学利用如图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O，每个钩码的质量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数确定3根绳子的拉力TOA、TOB和TOC，回答下列问题：

(1)(多选)改变钩码个数，实验能完成的是(　　)

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   (　　)

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，你认为下图中________是正确的。(填“甲”或“乙”)

[答案]　(1)BCD　(2)A　(3)甲

[解析]　(1)实验中的分力与合力的关系必须满足：|F1－F2|<F3<F1＋F2，因此，B、C、D是可以的。

(2)钩码的个数可代表所研究各力的大小，只需在拆下钩码和绳子前，再记下O点的位置和OA、OB、OC三段绳子拉力的方向，即可验证力的平行四边形定则，故A正确。

(3)OC绳拉力TOC一定是竖直的，其反向延长线应是OA和OB两绳拉力TOA、TOB合力方向(理论值)，但考虑实验误差的存在，作图后可能会有所偏离，故甲是正确的。

【解题法】　本实验命题创新方法汇总

(1)实验原理、方法及其迁移

利用三力平衡的结论，一个力与另外两个力的合力等大反向，验证这个力与另外两个力的关系。

(2)实验器材的改进

①用传感器测力大小，提高弹力读数的准确性和操作的便捷性。

②钩码和滑轮的组合取代弹簧测力计，减小了读数误差。

③用橡皮筋取代弹簧测力计。

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。