2012届湖南人教版学海导航新课标高中总复习(第1轮)物理：第2章_第4讲_实验：验证力的平行四边形

一、验证力的平行四边形定则1．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．2．实验原理等效法：两个力F1、F2共同作用使橡皮条伸长到结点O，单独一个力F′作用也使橡皮条伸长到结点O，这一个力F′就是前两个力F1和F2的合力．作出F′的图示，再根据平行四边形定则作出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．3．实验器材方木板、白纸、弹簧秤(两只)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉若干、细芯铅笔．4．实验步骤(1)用图钉把白纸固定在水平桌面的方木板上．(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)用两只弹簧秤分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长到某一位置O，如图241，记录两弹簧秤的读数，用铅笔描下O点位置及此时两条细绳套的方向．(4)用铅笔和刻度尺从O点沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧秤的读数F1和F2的图示，以F1、F2为邻边用铅笔及刻度尺作平行四边形，两邻边所夹的对角线即为合力F的图示．(5)只用一只弹簧秤钩住细绳套，把橡皮条的结点拉到同一位置O.记下此时弹簧秤的示数F′及细绳的方向，用刻度尺按同样的标度作出F′的图示．(6)比较F′与F的大小和方向．(7)改变F1、F2的大小和夹角，重复做两次实验，得出结论．二、探究弹力和弹簧伸长的关系1．实验目的(1)探究弹力和弹簧伸长量的定量关系；(2)学会使用列表法、图象法、函数法处理实验数据．2．实验原理在竖直悬挂的轻弹簧下端悬挂砝码，平衡时弹力大小等于砝码的重力，用刻度尺量出弹簧的伸长量，改变砝码数量，重复上面实验，就可以定量地找出弹力与伸长量之间的关系．3．实验器材弹簧、毫米刻度尺、铁架台、钩码若干、坐标纸.4．实验步骤(1)如图242，将弹簧的一端挂在铁架台上，让其自然下垂，用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0，即原长．(2)在弹簧下端挂钩码，测出弹簧总长度l，计算出弹簧的伸长量x和钩码的重力mg.(3)改变(增加)钩码数量依次测出弹簧长度和钩码总重力，列表记录．(4)以弹力F(大小等于所挂钩码的重力)为纵坐标，以弹簧伸长量x为横坐标建立坐标系，根据所测数据描点，拟合各点，得出弹力F和弹簧伸长量x的图线．(5)以弹簧伸长量为自变量，写出曲线所代表的函数．首先尝试一次函数，如果不行再考虑二次函数．(6)得出弹力和弹簧伸长量之间的定量关系，解释函数表达式中常数的物理意义．一、“验证力的平行四边形定则”实验有哪些要求？解答：1．正确使用弹簧秤(1)弹簧秤的选取方法是：将两只弹簧秤调零后互钩水平对拉，若两只弹簧秤在对拉过程中，读数相同则可选．(2)弹簧秤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上，否则应校正零位(无法校正的要记录下零误差)．(4)使用时弹簧的伸长方向和所测拉力方向要一致，弹簧、指针、拉杆都不要与刻度板和刻度板末端的限位卡发生摩擦．(5)读数时应正对、平视刻度．2．注意事项(1)在本实验中，以橡皮条的伸长(结点到达某一位置)来衡量力的作用效果，因此，在同一次实验中应使两种情况下结点达到同一位置．(2)在不超过弹簧秤的量程和橡皮条形变不超过其弹性限度的条件下，应使拉力尽量大一些．(3)画力的图示时，标度的选取应恰当，并且要相同，要严格按几何作图法求合力，同时还要把力的图示作得稍大一些．3．数据处理及误差分析本实验的主要误差来源于读数、作图，此外还有弹簧秤本身的误差．读数时眼睛一定要正对刻度，按有效数字记录示数，作图时要准确，两个分力F1、F2间夹角θ不能太大或太小，以60°～100°为宜，要按实验的要求进行操作、读数、作图，即使存在误差，也是正常的，不能用数据拼凑使实验非常完美，也不能只用特殊角度而不管其一般性．二、“探究弹力和弹簧伸长的关系”实验中有哪些注意事项？解答：1．所挂钩码不要过重，以免弹簧被过分拉伸，超出它的弹性限度，要注意观察，适可而止．2．每次所挂钩码的质量差尽量大一些，从而使坐标上描的点尽可能稀，这样作出的图线更精确．3．每次增减砝码测有关长度时，均需保证弹簧及砝码不上下振动而处于静止状态．4．测量有关长度时，应区别弹簧原长l0，实际总长l及伸长量x三者之间的不同，明确三者之间的关系．5．描点画线时，所描的点不一定都落在一条曲线上，但应注意一定要使各点均匀分布在曲线的两侧．6．记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位．1．验证力的平行四边形定则实验的正确操作例1：在“验证力的平行四边形定则”的实验中，其中的三个实验步骤如下：(1)在水平放置的木板上垫一张白纸，用图钉固定，把橡皮条的一端固定在木板上，另一端拴两根细线，通过细线同时用两个测力计互成角度地拉橡皮条，使它与细线的结点到达某一位置O点，在白纸上记下O点和两测力计的读数F1和F2.(2)在纸上根据F1和F2的大小，应用平行四边形定则作图求出合力F.(3)只用一只测力计通过细绳拉橡皮条，使它的伸长量与两测力计拉时相同，记下此时测力计的读数F′和细绳的方向．以上三个步骤中均有错误或疏漏，请指出：(1)中是________(2)中是________(3)中是________解析：步骤(1)中未记下细线的方向．步骤(2)中除F1、F2的大小之外，还应根据F1、F2的方向才能准确作图．步骤(3)中应将橡皮条与线的结点拉至原位置O点．变式训练1：将下述实验步骤按正确顺序排列应是_________________.(1)在白纸上按比例作出两个力F1和F2的图示，根据平行四边形定则作图求出合力F.(2)只用一只测力计，通过细绳把橡皮条的结点拉到同样的位置．(3)记下两测力计读数，描出两细绳的方向．(4)在水平放置的木板上，垫一张白纸，用图钉固定，把橡皮条的一端固定在板上P点，用两条细绳连接在橡皮条的另一端，通过细绳同时用两个测力计互成角度地拉橡皮条，使橡皮条与细绳的连接点到达某一位置，并记下此位置．(5)记下测力计的读数F′和细绳方向，按同一比例做出这个力的图示．比较这个实测合力F′和按平行四边形法则求出的合力F，看它们的大小和方向是否相同．(6)改变两测力计拉力的大小和方向，重做两次实验，从实验中得出结论．答案：(4)(3)(1)(2)(5)(6)2．验证力的平行四边形定则实验方法的拓展和迁移例2：(2009·山东)请完成以下两小题．某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到三条相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第3条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物．(1)为完成实验，下述操作中必需的是________．a．测量细绳的长度b．测量橡皮筋的原长c．测量悬挂重物后橡皮筋的长度d．记录悬挂重物后结点O的位置(2)钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是______________________________．解析：细绳的长度与橡皮筋的伸长量无关．三根橡皮筋劲度系数相同，产生的弹力与伸长量成正比．从伸长后长度和原长的差即可以得到其伸长量，记录下O点位置，则可确定两边弹力方向，即OA方向和OB方向答案：bcd更换不同质量的小重物3．探究弹力和弹簧伸长的关系例3：下表是某同学为探索弹簧的弹力和伸长的关系所测的几组数据.弹力F/N0.51.01.52.02.5伸长x/cm2.35.086.899.812.4(1)请你在图244的坐标线上作出F－x图线．(2)写出曲线所代表的函数式．(3)解释函数表达式中的常量的物理义．解析：(1)根据表中数据描点，按照图中各点的分布与走向，应作出一条直线，使直线两侧的点数大致相同．这样可以减少偶然误差．如图244所示．(2)设直线斜率为k，由数学知识知，F＝kx＋C.在直线上取较远的两点(可以减小误差)，如点(9.8,2.0)与(2.3,0.5)，并代入上式得k＝0.2N/cm，C＝0.04N，所以函数表达式为：F＝(0.2x＋0.04)N.(3)由F＝kx＋C知，当x＝0时，F＝C，因此，式中常数C表示弹簧的重力为0.04N.若忽略弹簧的重量，则F＝kx.因此，式中常数k＝F/x表示使弹簧形变单位长度时弹簧的弹力，即劲度系数．方法点拨：(1)根据所给实验数据描点，然后作出平滑曲线(或直线)，注意所画的线不一定过所有点，原则是应尽量使各点较均匀地分布在曲线(或直线)的两侧，描点时要符合客观实际，“曲”、“直”分明．(2)理解坐标的物理含义：x为挂不同砝码时弹簧的形变量而不是长度．(3)根据图象写出函数方程，要注意图线与横轴或纵轴截距的含义．