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实验:验证力的平行四边形定则
【学习目标】
验证互成角度的两个共点力合成的平行四边形定则。
进一步练习作图法求两个共点力的合力。
实验原理
根据等效替代法,将橡皮条的一端固定,先用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条,再用一个弹簧测力计拉橡皮条,使两次拉伸至_______,使两次的_______相同。找出用一个弹簧测力计拉橡皮条的拉力与用两个弹簧测力计互成角度拉橡皮条的两个拉力间存在的关系。
二、实验器材
方某某、白纸、弹簧测力计(两个)、橡皮条、三角板、刻度尺、图钉(几个)、细绳和细绳套(各两个)、铅笔。
三、实验步骤
1.在桌上平放一块方某某,在方某某上铺一张白纸,用图钉把白纸固定在方某某上。
2.用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点,在橡皮条的另一端挂上两条细绳,细绳的另一端均系着绳套。
3.用两个弹簧测力计分别钩住绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长,结点到达某一位置O,如图甲所示。
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4.用铅笔记下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F1、F2。(在使用弹簧测力计的时候,要注意使弹簧测力计与木某某平面平行)
5.只用一个弹簧测力计,通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O,如图乙所示,读出并记录弹簧测力计的示数F′,同时记下细绳的方向。
6.取下白纸,用铅笔和刻度尺在白某某从O点沿着两条细绳的方向画直线,按着一定的标度作出两个力F1和F2的图示,再按同一标度作出只用一个弹簧测力计拉的力F′的图示。
7.以F1、F2为邻边利用刻度尺和三角板作平行四边形,并作出对角线F,如图丙所示。
8.比较F′与合力F的大小和方向,看它们在误差范围内是否大小相等,方向相同。
9.改变两个分力F1和F2的大小和夹角,再重复两次实验,看看结论是否相同。
10.实验结论:F′和对角线F在误差范围内重合,说明两个力合成时,用表示这两个力的线段为邻边作平行四边形,则平行四边形的对角线所代表的力与合力的大小和方向是相同的。
四、误差分析
1.读数误差:弹簧测力计数据在允许的情况下,尽量大一些,读数时眼睛一定要正视,要按有效数字正确读数和记录。
2.作图误差:
(1)结点O的位置和两个弹簧测力计的方向画得不准确,造成作图误差。
(2)两个分力的起始夹角α太大,如大于120°,再重复做两次实验,为保证结点O位置不变(即保证合力不变),则α变化范围不大,因而弹簧测力计示数变化不显著,读数误差较大,导致作图产生较大误差。
3.作图比例不恰当、不准确等造成作图误差。
五、注意事项
1.正确使用弹簧测力计
(1)测量前应首先检查弹簧测力计的零点是否准确,注意使用中不要超过其弹性限度。
(2)实验时,弹簧测力计必须保持与木某某平行,且拉力应沿轴线方向。弹簧测力计的指针、拉杆都不要与刻度板和刻度板末端的限位孔发生摩擦。
(3)读数时应正对、平视刻度,估读到最小刻度的下一位。
2.规范实验操作
(1)位置不变:在同一次实验中,将橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。
(2)角度合适:两个弹簧测力计所拉细绳套的夹角不宜太小,也不宜太大,以60°~100°为宜。
(3)在不超出弹簧测力计量程及在橡皮条弹性限度内的前提下,测量数据应尽量大一些。
(4)细绳套应适当长一些,便于确定力的方向。不要直接沿细绳套方向画直线,应在细绳套两端画个投影点,去掉细绳套后,连直线确定力的方向。
3.规范合理作图:在同一次实验中,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。
[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。图乙是在白某某根据实验结果画出的图。
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(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.在桌上放一块方某某,在方某某上铺一张白纸,用图钉把白纸钉在方某某上;
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________________。
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