第三章4.　第2课时　实验：探究两个互成角度的力的合成规律高中物理必修一课件人教版

第2课时实验:探究两个互成角度的力的合成规律【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。【实验器材】方木板一块、白纸、弹簧测力计(两支)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉(几个)、细芯铅笔。【实验原理与设计】如果使F1、F2的共同作用效果与另一个力F'的作用效果相同(橡皮条在某一方向伸长一定的长度),那么根据F1、F2用平行四边形定则求出的合力F,应与F'在实验误差允许范围内大小相等、方向相同。【实验过程】实验步骤1.用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上,并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。2.用两支弹簧测力计分别钩住细绳套,互成角度地拉橡皮条,使橡皮条伸长到某一位置O,如图所示,记录两弹簧测力计的读数,用铅笔描下O点的位置及此时两细绳套的方向。3.只用一支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,记下弹簧测力计的读数和细绳套的方向。4.改变两个力F1与F2的大小和夹角,再重复实验两次。5.用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线,按选定的标度作出这两支弹簧测力计的读数F1和F2的图示,并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形,过O点画平行四边形的对角线,此对角线即为合力F的图示。6.用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出用一支弹簧测力计时的拉力F'的图示。7.比较一下,力F'与用平行四边形定则求出的合力F在误差范围内大小和方向上是否相同。【误差分析】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。(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。【实验探究】1.在实验中,每次都必须保证结点的位置不变,这体现了怎样的物理思想方法?若仅保持两次橡皮条的伸长长度相同而不使橡皮条的结点拉到同一位置,能否验证平行四边形定则?提示:每次实验必须保证结点位置不变,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,这是物理学中等效替代的思想方法。不使橡皮条的结点拉到同一位置,不能验证平行四边形定则。2.本实验中对两支弹簧测力计有何要求?使用时应注意哪些问题?提示:本实验中的两支弹簧测力计的选取方法:将两支弹簧测力计调零后互钩水平对拉过程中,读数相同,则可选;若读数不同,应另换或调校,直至相同为止。使用时应注意:①使用弹簧测力计测力时,读数应尽量大些,但不能超出它的测量范围。②被测力的方向应与弹簧测力计轴线方向一致,拉动时弹簧及挂钩不可与外壳相碰以避免产生摩擦。③读数时应正对、平视刻度。3.本实验中哪些方面容易导致误差的产生?如何减小误差?提示:读数方面容易导致误差的产生。减小读数误差的方法:选择相同的弹簧测力计并调整好零刻度;弹簧测力计指示数值在允许的情况下,尽量大一些,读数时视线要垂直于刻度盘,要按有效数字正确读数和记录。作图方面容易导致误差的产生。减小作图误差的方法:①严格作图,作图时两力的对边一定要平行;②实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大,但也不宜过小,以60°到120°之间为宜;③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。类型一实验操作【典例1】(2025·聊城高一检测)某同学利用劲度系数为100N/m的弹簧A、劲度系数为50N/m的弹簧B、白纸、方木板、橡皮筋、图钉、细线、钩码、刻度尺等器材进行“验证力的平行四边形定则”的实验。实验步骤如下:(1)用刻度尺测得弹簧A的原长为6.00cm,弹簧B的原长为8.00cm;(2)将木板水平固定,再用图钉把白纸固定在木板上。如图甲,将橡皮筋一端固定在M点,另一端系两根细线,分别与互成一定角度的弹簧A、B相连,水平拉弹簧A、B,把橡皮筋结点拉到纸面上某一位置,用铅笔描下结点位置记为O。测得此时弹簧A的长度为8.10cm,弹簧B的长度为11.80cm,并在每条细线的某一位置用铅笔记下点P1和P2;(3)如图乙,取下弹簧A,只通过弹簧B水平拉细线,仍将橡皮筋结点拉到O点,测得此时弹簧B的长度为14.20cm,并用铅笔在细线的某一位置记下点P,此时弹簧B的弹力大小为

N(计算结果保留3位有效数字)。

(4)按照正常实验操作,图丙中的F与F'两力中,方向一定沿MO方向的是

。

【解析】(3)弹簧B的弹力大小为F=kB(xB-xB0)=50×(14.2-8.00)×10-2N=3.10N。(4)按照正常实验操作,图丙中的F与F'两力中,F是两个分力的合力的理论值,F'是两个分力的合力的实验值,则方向一定沿MO方向的是F'。答案:(3)3.10

(4)F'类型二数据处理【典例2】在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中,如图(a)所示,轻质小圆环挂在橡皮条的一端,橡皮条的另一端固定,自然长度为GE,在图(b)中,用手通过两个弹簧测力计共同拉动小圆环。小圆环受到拉力F1、F2的共同作用,处于O点,橡皮条伸长的长度为EO。撤去F1、F2,改用一个力F'单独拉住小圆环,如图(c)所示,仍然使它处于O点。力F'单独作用,与F1、F2共同作用的效果是一样的,都能使小圆环在O点保持静止。(1)甲同学在某次实验中,记录了拉力F1、F2的大小及方向,并将它们的图示作在如图(d)所示的方格纸中,已知方格纸每个正方形小格的边长代表2N。请你在图(d)中利用作图法作出F1、F2的合力F,并由图可得F的大小为

N。

(2)乙同学用力的图示法分别描述F'、F1、F2的大小及方向,以F1、F2为邻边,作平行四边形,得其对角线为F,如图(e)所示,则力F1、F2合力的理论值是

,实际测量值是

。(均选填“F”或“F'”)

【解析】(1)根据平行四边形定则画出两分力F1、F2的合力F的图示,如图所示,由题意可知,每一小格的长度表示2N,