实验:探究力的合成方法
丁杨泉
一、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.
二、实验原理(等效替代法)
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同一点,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平行四边形定则,如图1所示,
三、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2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0,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0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.
四、误差分析
1.弹簧测力计本身的误差.(见注意事项1)
2.读数误差和作图误差.(见注意事项4、5、6)
五、注意事项
1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后互钩对拉,若两只弹簧测力计在对拉过程中,读数相同,则可选;若读数不同,应另换,直至相同为止.
2.在同一次实验中,使橡皮条拉长时,结点O位置一定要相同.体现作用效果相同.
3.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.
4.读数时应注意使弹簧测力计与木板平行,并使细绳套与弹簧测力计的轴线在同一条直线上,避免弹簧测力计的外壳与弹簧测力计的限位卡之间有摩擦.读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度,在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下,拉力的数值尽量大些.
5.细绳套应适当长一些,便于确定力的方向.不要直接沿细绳套的方向画直线,应在细绳套末端用铅笔画一个点,去掉细绳套后,再将所标点与O点连接,即可确定力的方向.
6.在同一次实验中,画力的图示所选定的标度要相同,并且要恰当选取标度,使所作力的图示稍大一些.
例1 (2011江苏)某同学用如图3所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”.弹簧测力计4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4和B的示数,并在贴于竖直木板的白纸上记录0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)下列不必要的实验要求是______.(请填写选项前对应的字母)
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0点静止在同一位置
(3)某次试验中,该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程,请你提出两个解决方法.
答案(1)3.6 (2)D (3)①改变弹簧测力计B拉力的大小;②减小重物M的质量(或将A更换成量程较大的弹簧测力计,改变弹簧测力计B拉力方向等)
解析 只要验证即只要求OB与OM垂直,不需要每次都要使0点静止在同一位置.
例2(2014江苏)小明通过实验探究求合力的方法.
(1)实验所用的一只弹簧测力计如图4所示,在用它测力前应对它进行的操作是
(2)在测出F1、F2和对应的合力F后,他在纸上画出了F1、F2的图示,如图5所示.请你帮助他在图中画出合力F的图示(测得F=4.9N,图中a、b为记录F方向的两点).
(3)小明用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连接起来;观察图形后,他觉得所画的图形很像平行四边形.至此,为正确得出求合力的一般方法,你认为小明接下来应该做些什么(写出两点即可)?
答案 (1)调零(2)如图6所示
(3)①验证所画的四边形十分接近于平行四边形;
②提出求合力方法的猜想;
③改变F1、F2的大小和方向重复上述实验;
④与同学交流讨论实验结果,得出结论.
解析 (1)所给弹簧测力计指针未指在零刻度处,在使用之前必须调零.
(2)力的图示直观反映了力的大小、方向和作用点,表示合力F的有向线段的起点是O,方向沿a、b的连线,线段长度依据F的大小和图中标度来确定.
(3)见答案
一、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.
二、实验原理(等效替代法)
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同一点,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平行四边形定则,如图1所示,
三、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2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0,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0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.
四、误差分析
1.弹簧测力计本身的误差.(见注意事项1)
2.读数误差和作图误差.(见注意事项4、5、6)
五、注意事项
1.同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是:将两只弹簧测力计调零后互钩对拉,若两只弹簧测力计在对拉过程中,读数相同,则可选;若读数不同,应另换,直至相同为止.
2.在同一次实验中,使橡皮条拉长时,结点O位置一定要相同.体现作用效果相同.
3.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.
4.读数时应注意使弹簧测力计与木板平行,并使细绳套与弹簧测力计的轴线在同一条直线上,避免弹簧测力计的外壳与弹簧测力计的限位卡之间有摩擦.读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度,在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下,拉力的数值尽量大些.
5.细绳套应适当长一些,便于确定力的方向.不要直接沿细绳套的方向画直线,应在细绳套末端用铅笔画一个点,去掉细绳套后,再将所标点与O点连接,即可确定力的方向.
6.在同一次实验中,画力的图示所选定的标度要相同,并且要恰当选取标度,使所作力的图示稍大一些.
例1 (2011江苏)某同学用如图3所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”.弹簧测力计4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4和B的示数,并在贴于竖直木板的白纸上记录0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)下列不必要的实验要求是______.(请填写选项前对应的字母)
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0点静止在同一位置
(3)某次试验中,该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程,请你提出两个解决方法.
答案(1)3.6 (2)D (3)①改变弹簧测力计B拉力的大小;②减小重物M的质量(或将A更换成量程较大的弹簧测力计,改变弹簧测力计B拉力方向等)
解析 只要验证即只要求OB与OM垂直,不需要每次都要使0点静止在同一位置.
例2(2014江苏)小明通过实验探究求合力的方法.
(1)实验所用的一只弹簧测力计如图4所示,在用它测力前应对它进行的操作是
(2)在测出F1、F2和对应的合力F后,他在纸上画出了F1、F2的图示,如图5所示.请你帮助他在图中画出合力F的图示(测得F=4.9N,图中a、b为记录F方向的两点).
(3)小明用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连接起来;观察图形后,他觉得所画的图形很像平行四边形.至此,为正确得出求合力的一般方法,你认为小明接下来应该做些什么(写出两点即可)?
答案 (1)调零(2)如图6所示
(3)①验证所画的四边形十分接近于平行四边形;
②提出求合力方法的猜想;
③改变F1、F2的大小和方向重复上述实验;
④与同学交流讨论实验结果,得出结论.
解析 (1)所给弹簧测力计指针未指在零刻度处,在使用之前必须调零.
(2)力的图示直观反映了力的大小、方向和作用点,表示合力F的有向线段的起点是O,方向沿a、b的连线,线段长度依据F的大小和图中标度来确定.
(3)见答案