高三物理实验课件：验证力的平行四边形定则

【实验目的实验目的】 验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则. .【实验原理实验原理】 一个力一个力F F的作用效果和两个力的作用效果和两个力F F1 1、F F2 2的作用效果都的作用效果都 是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点, ,所以力所以力 F F就是这两个力就是这两个力F F1 1和和F F2 2的合力的合力, ,作出力作出力F F的图示的图示. . 再根据平行四边形定则作出力再根据平行四边形定则作出力F F1 1 和和F F2 2 的合力的合力F F的图的图 示示, ,比较比较F F和和F F的大小和方向是否相同的大小和方向是否相同, ,若相同若相同, ,则说则说 明互成角度两个力合成时遵循平行四边形定则明互成角度两个力合成时遵循平行四边形定则. . 实验三实验三 验证力的平行四边形定则验证力的平行四边形定则要点归纳要点归纳【实验器材实验器材】 方木板一块、白纸、弹簧测力计方木板一块、白纸、弹簧测力计( (两只两只) )、橡皮条、橡皮条、 细绳套细绳套( (两个两个) )、三角板、刻度尺、图钉、三角板、刻度尺、图钉( (几个几个) )、细、细 芯铅笔芯铅笔. .【实验步骤实验步骤】 1.1.用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上. .并用图并用图 钉把橡皮条的一端固定在钉把橡皮条的一端固定在A A点点, ,橡皮条的另一端拴上橡皮条的另一端拴上 两个细绳套两个细绳套. . 2. 2.用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地 拉像皮条拉像皮条, ,使橡皮条伸长到某一位置使橡皮条伸长到某一位置O O, ,如图如图1 1所示所示, , 记录两弹簧测力计的读数记录两弹簧测力计的读数, ,用铅笔描下用铅笔描下O O点的位置及点的位置及 此时两细绳套的方向此时两细绳套的方向. . 图图1 13.3.只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉 到同样的位置到同样的位置O O, ,记下弹簧测力计的读数和细绳套的记下弹簧测力计的读数和细绳套的 方向方向. .4.4.用铅笔和刻度尺从结点用铅笔和刻度尺从结点O O沿两条细绳套方向画直沿两条细绳套方向画直 线线, ,按选定的标度作出这两只弹簧测力计的读数按选定的标度作出这两只弹簧测力计的读数F F1 1和和 F F2 2的图示，并以的图示，并以F F1 1和和F F2 2为邻边用刻度尺作平行四边为邻边用刻度尺作平行四边 形形, ,过过O O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合点画平行四边形的对角线，此对角线即为合 力力F F的图示的图示. . 5.5.用刻度尺从用刻度尺从O O点按同样的标度沿记录的方向作出只点按同样的标度沿记录的方向作出只 用一只弹簧测力计的拉力用一只弹簧测力计的拉力F F的图示的图示. .6.6.比较一下比较一下, ,力力F F与用平行四边形定则求出的合力与用平行四边形定则求出的合力F F 的大小和方向是否相同的大小和方向是否相同. . 白纸钉在木板处白纸钉在木板处, ,两秤同拉有角度两秤同拉有角度, ,读数画读数画线选标度线选标度, ,再用一秤拉同处再用一秤拉同处, ,作出力的矢量图作出力的矢量图. . 锦囊妙诀锦囊妙诀交流与思考交流与思考 每次实验都必须保证结点的位置保持每次实验都必须保证结点的位置保持 不变不变, ,这体现了怎样的物理思想方法？若两次橡皮条这体现了怎样的物理思想方法？若两次橡皮条的伸长长度相同的伸长长度相同, ,能否验证平行四边形定则？能否验证平行四边形定则？ 每次实验保证结点位置保持不变每次实验保证结点位置保持不变, ,是为了使合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换的思想方法物理学中等效替换的思想方法. .由于力不仅有大小由于力不仅有大小, ,还还有方向，若两次橡皮条的伸长长度相同但结点位置不有方向，若两次橡皮条的伸长长度相同但结点位置不同，说明两次效果不同同，说明两次效果不同, ,不满足合力与分力的关系不满足合力与分力的关系, ,不不能验证平行四边形定则能验证平行四边形定则. . 提示提示【注意事项注意事项】 1.1.不要直接以橡皮条端点为结点不要直接以橡皮条端点为结点, ,可拴一短细绳可拴一短细绳连两细绳套连两细绳套, ,以三绳交点为结点以三绳交点为结点, ,应使结点小些应使结点小些, ,以便以便准确地记录结点准确地记录结点O O的位置的位置. . 2.2.使用弹簧秤前使用弹簧秤前, ,应先调节零刻度应先调节零刻度, ,使用时不超使用时不超过量程过量程, ,拉弹簧秤时拉弹簧秤时, ,应使弹簧秤与木板平行应使弹簧秤与木板平行. . 3.3.在同一次实验中在同一次实验中, ,橡皮条伸长时的结点位置要橡皮条伸长时的结点位置要相同相同. . 4.4.被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致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拉动时弹簧不可与外壳相碰或摩擦. . 5.5.读数时应正对、平视刻度读数时应正对、平视刻度. . 6.6.两拉力两拉力F F1 1和和F F2 2夹角不宜过小夹角不宜过小, ,作力的图示作力的图示, ,标度标度要一致要一致. .交流与思考交流与思考 如何设计实验探究两力合力随角度的如何设计实验探究两力合力随角度的变化规律？如何观察合力的变化规律？变化规律？如何观察合力的变化规律？ 保持两力的大小不变保持两力的大小不变, ,改变两力之间的夹角改变两力之间的夹角, ,使两力的合力发生变化使两力的合力发生变化, ,可以通过观察结点的位置可以通过观察结点的位置变化变化, ,判断合力大小的变化情况判断合力大小的变化情况, ,结点离固定点越远结点离固定点越远, ,说明两力的合力越大说明两力的合力越大. .提示提示【误差分析误差分析】 1.1.用两个测力计拉橡皮条时用两个测力计拉橡皮条时, ,橡皮条、细绳和测力计橡皮条、细绳和测力计 不在同一个平面内不在同一个平面内, ,这样两个测力计的水平分力的这样两个测力计的水平分力的 实际合力比由作图法得到的合力小实际合力比由作图法得到的合力小. . 2. 2.结点结点O O的位置和两个测力计的方向画得不准的位置和两个测力计的方向画得不准, ,造成造成 作图的误差作图的误差. . 3. 3.两个分力的起始夹角两个分力的起始夹角太大太大, ,如大于如大于120120, ,再重做再重做 两次实验，为保证结点两次实验，为保证结点O O位置不变（即保证合力不位置不变（即保证合力不 变变),),则则变化范围不大，因而测力计示数变化不显变化范围不大，因而测力计示数变化不显 著著, ,读数误差大读数误差大. . 4. 4.作图比例不恰当造成作图误差作图比例不恰当造成作图误差. . 交流与思考交流与思考 实验时由作图法得到的合力实验时由作图法得到的合力F F和单个测和单个测 力计测量的实际合力力计测量的实际合力F F忘记标注而造成错乱忘记标注而造成错乱, ,你如何你如何加以区分加以区分? ? 由弹簧测力计测量合力时必须使橡皮条伸直由弹簧测力计测量合力时必须使橡皮条伸直, ,所以与所以与AOAO共线的合力表示由单个测力计测量得到的共线的合力表示由单个测力计测量得到的实际合力实际合力F F，不共线的合力表示由作图法得到的合，不共线的合力表示由作图法得到的合力力F F. . 提示提示【例例1 1】 在做在做“互成角度的两个力的合成互成角度的两个力的合成”实验时实验时, ,橡橡 皮条的一端固定在木板上皮条的一端固定在木板上, ,用两个弹簧秤把橡皮条的用两个弹簧秤把橡皮条的 另一端拉到某一确定的另一端拉到某一确定的O O点点, ,以下操作中错误的是以下操作中错误的是 ( )( ) A. A.同一次实验过程中同一次实验过程中, ,O O点位置允许变动点位置允许变动 B.B.实验中实验中, ,弹簧秤必须与木板平行弹簧秤必须与木板平行, ,读数时视线要正读数时视线要正 对弹簧秤刻度对弹簧秤刻度 C.C.实验中实验中, ,先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大先将其中一个弹簧秤沿某一方向拉到最大 量程量程, ,然后只需调节另一弹簧秤拉力的大小和方向然后只需调节另一弹簧秤拉力的大小和方向, , 把橡皮条另一端拉到把橡皮条另一端拉到O O点点 D.D.实验中实验中, ,把橡皮条的另一端拉到把橡皮条的另一端拉到O O点时点时, ,两弹簧秤之两弹簧秤之 间夹角应取间夹角应取9090, ,以便于算出合力的大小以便于算出合力的大小 典例剖析典例剖析思路点拨思路点拨 (1)(1)该实验中怎样使合力与分力产生的效该实验中怎样使合力与分力产生的效 果相同果相同? ?(2)(2)实验操作中要注意哪些问题实验操作中要注意哪些问题? ?解析解析 从橡皮条固定点从橡皮条固定点到到O O点的连线方向点的连线方向, ,是合力的作是合力的作用线方向用线方向, ,如果如果O O点变动点变动, ,那么合力的大小、方向都要那么合力的大小、方向都要变化，就不能验证力的平行四边形定则变化，就不能验证力的平行四边形定则, ,故故A A选项错选项错. .C C选项中选项中, ,因一个弹簧秤已拉到最大量程因一个弹簧秤已拉到最大量程, ,再通过另一再通过另一个弹簧秤拉橡皮条到个弹簧秤拉橡皮条到O O点时点时, ,另一个弹簧秤可能超过最另一个弹簧秤可能超过最大量程大量程, ,造成损坏造成损坏, ,或读数不准或读数不准, ,故故C C选项错选项错. .互成角度互成角度的两个力的合成的两个力的合成, ,是利用平行四边形定则合成的是利用平行四边形定则合成的, ,两个两个分力成任意角度都适用分力成任意角度都适用, ,不必成不必成9090角角, ,故故D D选项错选项错. .答案答案 ACD 【例例2 2】将橡皮筋的一端固定在将橡皮筋的一端固定在A A点点, ,另一端拴上两根另一端拴上两根 细绳细绳, ,每根细绳分别连着一个量程为每根细绳分别连着一个量程为5 N5 N、最小刻度、最小刻度 为为0.1 N0.1 N的弹簧测力计的弹簧测力计. .沿着两个不同的方向拉弹簧测沿着两个不同的方向拉弹簧测 力计力计. .当橡皮筋的活动端拉到当橡皮筋的活动端拉到O O点时点时, ,两根细绳相互垂两根细绳相互垂 直直, ,如图如图2 2所示所示. .这时弹簧测力计的读数可从图中读出这时弹簧测力计的读数可从图中读出. . 图图2 2 (1)(1)由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为由图可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为_N_N和和_N._N.(2)(2)在图在图3 3所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力力及它们的合力. . 图图3 3(3)(3)图图4(a)(b)4(a)(b)两图是两位同学得到的实验结果两图是两位同学得到的实验结果, ,其中其中哪一个图符合实际哪一个图符合实际? ?若合力测量值若合力测量值F F是准确的，则是准确的，则F F 与与F F有误差的原因可能是哪些有误差的原因可能是哪些? ? 图图4 4 (1) (1)读数时要符合有效数字的要求读数时要符合有效数字的要求. .(2)(2)合理选取标度合理选取标度, ,作出两分力作出两分力, ,再应用平行四边形定再应用平行四边形定则作出合力则作出合力. .(3)(3)F F是用一个测力计拉橡皮条所得到的是用一个测力计拉橡皮条所得到的, ,应在什么应在什么方向上方向上? ?解析解析 (1)(1)弹簧测力计的最小刻度为弹簧测力计的最小刻度为0.1 N,0.1 N,读数时应读数时应估读一位估读一位, ,所以读数分别为所以读数分别为2.50 N2.50 N和和4.00 N. 4.00 N. 思路点拨思路点拨(2)(2)取一个小方格的边长表示取一个小方格的边长表示0.50 N,0.50 N,作出两个力及作出两个力及 它们的合力它们的合力. .(3)(3)F F是用一个测力计拉橡皮条所得到的是用一个测力计拉橡皮条所得到的, ,其方向一其方向一定在橡皮条所在直线上定在橡皮条所在直线上, ,所以所以b b图符合实际图符合实际, ,误差的原误差的原因主要是弹簧测力计读数误差因主要是弹簧测力计读数误差, ,确定分力方向不够准确定分力方向不够准确等原因确等原因. .答案答案 (1)2.50 4.00 (2)(1)2.50 4.00 (2)见解析图见解析图(3)b(3)b图误差原因见解析图误差原因见解析 【例例3 3】请不用弹簧秤请不用弹簧秤, ,只用三条相同的橡皮条、四个只用三条相同的橡皮条、四个 图钉、一把直尺和一支铅笔、三张白纸、平木板来图钉、一把直尺和一支铅笔、三张白纸、平木板来 验证平行四边形法则验证平行四边形法则. . 解析解析 仅用橡皮条也可验证平行四仅用橡皮条也可验证平行四 边形定则边形定则, ,其步骤、方法如下其步骤、方法如下: : (1) (1)将三条橡皮条的一端都拴在一个将三条橡皮条的一端都拴在一个 图钉图钉O O上上, ,将这三条橡皮条的另一端将这三条橡皮条的另一端 分别再拴一个图钉分别再拴一个图钉A A、B B、C C, ,注意此时四个图钉均未注意此时四个图钉均未 固定在板上固定在板上, ,如右图所示如右图所示. .创新实验创新实验(2)(2)用直尺测出橡皮条的自由长度用直尺测出橡皮条的自由长度L L0 0, ,注意从图钉脚之注意从图钉脚之间测起间测起. . (3)(3)将拴有橡皮条的图钉将拴有橡皮条的图钉A A、B B适当张开钉在木板上，适当张开钉在木板上，拉第三根橡皮条拉第三根橡皮条C C, ,即使三条橡皮条互成角度拉伸即使三条橡皮条互成角度拉伸, ,待待节点处的图钉节点处的图钉O O静止时静止时, ,钉下钉下C C图钉图钉, ,并记录图钉并记录图钉O O的的位置位置( (注意此时注意此时O O图钉不能钉图钉不能钉) )记录图钉记录图钉A A、B B、C C的位的位置置.(.(此时图钉有孔此时图钉有孔, ,不需铅笔不需铅笔) )(4)(4)测出这三条橡皮的长度测出这三条橡皮的长度L L1 1、L L2 2、L L3 3, ,分别算出它们分别算出它们的伸长量的伸长量X X1 1= =L L1 1- -L L0 0, ,X X2 2= =L L2 2- -L L0 0, ,X X3 3= =L L3 3- -L L0 0. .(5)(5)将将X X1 1、X X2 2、X X3 3按一定比例图示出来按一定比例图示出来, ,以以X X1 1、X X2 2为邻为邻 边作平行四边形边作平行四边形, ,求出其对角线求出其对角线OCOC.比较比较OCOC与与OCOC的长度的长度( (即即X X3 3的长度的长度),),如果相等如果相等, ,且在一条直线上且在一条直线上, ,则则达到目的达到目的. .若若OCOC与与OCOC有一微小夹角有一微小夹角, ,则有误差则有误差( (如上图所示如上图所示).).本实验是根据图钉本实验是根据图钉O O受到三个平面共点力而静止受到三个平面共点力而静止. .任意任意两个力的合力与第三个力大小相等方向相反的原理两个力的合力与第三个力大小相等方向相反的原理. .答案答案 见解析见解析 1.1.在在“验证力的平行四边形定则验证力的平行四边形定则”的实验中的实验中, ,某同学某同学 的实验情况如图的实验情况如图5 5甲所示，其中甲所示，其中A A为固定橡皮条的图为固定橡皮条的图 钉钉, ,O O为橡皮条与细绳的结点为橡皮条与细绳的结点, ,OBOB和和OCOC为细绳为细绳. .素能提升素能提升图图5 5(1)(1)图乙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示图乙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示, ,下列说法中正确的是下列说法中正确的是 ( )( )A.A.图乙中的图乙中的F F是力是力F F1 1和和F F2 2合力的理论值合力的理论值, ,F F是力是力F F1 1和和 F F2 2合力的实际测量值合力的实际测量值B.B.图乙的图乙的F F是力是力F F1 1和和F F2 2合力的理论值合力的理论值, ,F F是力是力F F1 1和和 F F2 2合力的实际测量值合力的实际测量值C.C.在实验中在实验中, ,如果将细绳也换成橡皮条如果将细绳也换成橡皮条, ,那么对实验那么对实验 结果没有影响结果没有影响D.D.在实验中在实验中, ,如果将细绳也换成橡皮条如果将细绳也换成橡皮条, ,那么对实验那么对实验 结果有影响结果有影响 (2)(2)本实验采用的科学方法是本实验采用的科学方法是_(_(填字母代号填字母代号) )A.A.理想实验法理想实验法 B.B.等效替代法等效替代法C.C.控制变量法控制变量法 D.D.建立物理模型法建立物理模型法解析解析 (1)(1)从图乙中可以看出从图乙中可以看出, ,F F是根据平行四边是根据平行四边形定则作出的理论值形定则作出的理论值, ,F F为合力的实际测量值为合力的实际测量值; ;本实验本实验用两个弹簧秤拉像皮条和一个弹簧秤拉橡皮条效果相用两个弹簧秤拉像皮条和一个弹簧秤拉橡皮条效果相同同, ,都使结点都使结点O O到达同一位置到达同一位置, ,至于至于OBOB、OCOC是细绳还是细绳还是橡皮条则没有关系是橡皮条则没有关系, ,故故B B、C C正确正确. .(2)(2)本实验采用的科学方法是等效替代法本实验采用的科学方法是等效替代法, ,B B项正确项正确. . 答案答案 (1)(1)BCBC (2) (2)B B 2.2.在在“验证力的平行四边形定则验证力的平行四边形定则”中中, ,采取下列哪些采取下列哪些 方法和步骤可减小实验误差方法和步骤可减小实验误差 ( ) ( ) A. A.两个分力两个分力F F1 1、F F2 2间的夹角要适当大些间的夹角要适当大些 B.B.两个分力两个分力F F1 1、F F2 2的大小要适当大些的大小要适当大些 C.C.拉橡皮条的细绳要稍长一些拉橡皮条的细绳要稍长一些 D.D.实验前先把两个弹簧秤的钩子互相钩住实验前先把两个弹簧秤的钩子互相钩住, ,平放在桌平放在桌 子上子上, ,向相反方向拉动向相反方向拉动, ,检查读数是否相同检查读数是否相同ABCD3.3.某同学在做某同学在做“验证力的平行四边形定则验证力的平行四边形定则” ” 的实验的实验 中中, ,主要实验步骤如下主要实验步骤如下: : A. A.在桌面上放一块木板在桌面上放一块木板, ,在木板上铺一张白纸在木板上铺一张白纸, ,用图用图 钉把白纸钉在木板上钉把白纸钉在木板上 B.B.用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的用图钉把橡皮条的一端固定在木板上的A A点，在点，在 橡皮条的另一端拴上两条细绳橡皮条的另一端拴上两条细绳, ,细绳的另一端打成细绳的另一端打成 绳套绳套 C.C.用两个弹簧秤分别勾住绳套用两个弹簧秤分别勾住绳套, ,平行于木板且互成角平行于木板且互成角 度地拉橡皮条度地拉橡皮条, ,把橡皮条的结点拉到某一位置把橡皮条的结点拉到某一位置O O, ,记记 录下录下O O点的位置和两条细绳的方向，读出两个弹簧点的位置和两条细绳的方向，读出两个弹簧 秤的示数秤的示数D.D.按选好的比例按选好的比例, ,用铅笔和刻度尺作出两个弹簧秤的用铅笔和刻度尺作出两个弹簧秤的 拉力拉力F F1 1和和F F2 2的图示的图示, ,并用平行四边形定则求出合力并用平行四边形定则求出合力F F E.E.只用一个弹簧秤只用一个弹簧秤, ,通过细绳套拉橡皮条使其伸长通过细绳套拉橡皮条使其伸长, ,读读 出弹簧秤的示数出弹簧秤的示数, ,记下细绳的方向，按同一比例作出记下细绳的方向，按同一比例作出 这个力这个力F F的图示的图示F.F.比较力比较力F F和和F F的大小和方向的大小和方向, ,看它们是否相同看它们是否相同, , 得得 出结论出结论上述步骤中上述步骤中: :(1)(1)有重要遗漏的步骤序号是有重要遗漏的步骤序号是_;_;(2)(2)遗漏的内容是遗漏的内容是_._.解析解析 本实验的基本思想是本实验的基本思想是“等效替代等效替代”, ,用一个弹用一个弹簧秤拉橡皮条和两个弹簧秤拉的效果相同簧秤拉橡皮条和两个弹簧秤拉的效果相同, ,所以要把所以要把橡皮条的结点拉到同一位置橡皮条的结点拉到同一位置O O点点. .答案答案 (1)(1)E E(2)(2)E E中未说明是否把橡皮条的结点拉到了中未说明是否把橡皮条的结点拉到了O O点点4.4.小明同学在学完力的合成与分解后小明同学在学完力的合成与分解后, ,想在家里做实想在家里做实 验验证力的平行四边形定则验验证力的平行四边形定则. .他从学校的实验室里他从学校的实验室里 借来两只弹簧测力计借来两只弹簧测力计, ,按如下步骤进行实验按如下步骤进行实验. . A. A.在墙上贴一张白纸用来记录弹簧弹力的大小和方在墙上贴一张白纸用来记录弹簧弹力的大小和方 向向 B.B.在一只弹簧测力计的下端悬挂一装满水的水杯在一只弹簧测力计的下端悬挂一装满水的水杯, , 记下静止时弹簧测力计的读数记下静止时弹簧测力计的读数F F. . C. C.将一根大约将一根大约30 cm30 cm长的细线从纸带中穿过，再将长的细线从纸带中穿过，再将 细线两端拴在两只弹簧测力计的挂钩上细线两端拴在两只弹簧测力计的挂钩上. .在靠近白在靠近白 纸处用手对称地拉开细线纸处用手对称地拉开细线, ,使两只弹簧测力计的读数使两只弹簧测力计的读数 相等，在白纸上记下细线的方向和弹簧测力计的读相等，在白纸上记下细线的方向和弹簧测力计的读 数数. .如图如图7 7甲所示甲所示. .D.D.在白纸上按一定标度作出两个弹簧测力计的弹力在白纸上按一定标度作出两个弹簧测力计的弹力 的图示的图示, ,如图乙所示如图乙所示, ,根据力的平行四边形定则可求根据力的平行四边形定则可求 出这两个力的合力出这两个力的合力F F. . 图图6 6(1)(1)在步骤在步骤C C中中, ,弹簧测力计的读数为弹簧测力计的读数为_N._N.(2)(2)在步骤在步骤D D中中, ,合力合力F F=_N.=_N.(3)(3)若若_,_,就可以验证力的平行四边形定则就可以验证力的平行四边形定则. .答案答案 (1)3.00 (2)5.2(1)3.00 (2)5.20.2 (3)0.2 (3)F F近似在竖直近似在竖直方向方向, ,且数值与且数值与F F近似相等近似相等 返回返回