学生实验优秀教学设计

验证力的平行四边形定则

实验目的

1．验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则．

2．培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力．

实验原理

等效思想：使一个力F′的作用效果和两个力F1和F2的作用效果相同，就是使同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点O，即伸长量相同，所以F′为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、F′在实验误差允许的范围内是否大小相等、方向相同．

实验器材

方木板、白纸、弹簧测力计(两个)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉、铅笔．

注意事项

1．使用弹簧测力计前，要先观察指针是否指在零刻度处，若指针不在零刻度处，要设法调整指针，使之指在零刻度处．再将两个弹簧测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，如果两个示数相同方可使用．

2．实验中的两个细绳套不要太短．

3．在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同．

4．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．

5．在用力拉弹簧测力计时，拉力应沿弹簧测力计的轴线方向．弹簧测力计中弹簧轴线、橡皮条、细绳套应该位于与纸面平行的同一平面内．要防止弹簧测力计卡壳，防止弹簧测力计或橡皮条与纸面有摩擦．

6．在同一实验中，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．

实验过程

1．用图钉把白纸钉在方木板上．

2.把方木板平放在桌面上，用图钉把橡皮条的一端固定在A点，如图1所示，橡皮条的另一端拴上两个绳套．

图1 3．用两只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.用铅笔描下O点的位置和两条细绳套的方向，并记录弹簧测力计的读数．注意在使用弹簧测力计的时候，要使它的弹簧与木板平面平行．

4．用铅笔和刻度尺从力的作用点(位置O)沿着两绳套的方向画直线，按选定的标度作这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，以F1和F2为邻边利用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，即为合力F的图示．

5．只用一个弹簧测力计，通过细绳把橡皮条的结点拉到同一位置O.读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示．

6．比较力F′与用平行四边形定则求得的合力F的大小和方向，在实验误差允许的范围内看它们是否相等．

7．改变两个分力的大小和夹角，再做两次实验．

误差分析

1．弹簧测力计本身不够准确造成系统误差．

2．弹簧测力计读数和作图不准造成偶然误差．

实验改进

本实验在实际操作中，发现很难做到弹簧测力计的拉力方向在水平面上，致使作图法获得的合力F与用一个弹簧测力计拉结点在同一位置O时的力F′误差较大，为防止这种情况的出现，可以在竖直面内进行该实验，这样就较容易控制弹簧测力计的拉力在同一平面内．当然也可以用专门的验证力的平行四边形定则的实验仪器进行实验．

巩固练习

1.某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图2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和OC为细绳．图乙是在白纸上根据实验结果画出的图．

图2

(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．在桌上放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上；

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；

D．按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F；

E．只用一只弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力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_______________________．

2.在“探究求合力的方法”实验中，现有木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一把弹簧秤．

(1)为完成实验，某同学另找来一根弹簧，先测量其劲度系数，得到的实验数据如下表：

弹力F(N)

伸长量x(10 m)

－20.50

0.74

1.00

1.80

1.50

2.80

2.00

3.72

2.50

4.60

3.00

5.58

3.50 6.42 根据表中数据在图3中作出F－x图象并求得该弹簧的劲度系数k＝________N/m；

图3 (2)某次实验中，弹簧秤的指针位置如图4所示，其读数为________N；同时利用(1)中结果获得弹簧上的弹力值为2.50 N，请在下面虚线框中画出这两个共点力的合力F合；

图4

(3)由图得到F合＝________N. 3．在“验证力的平行四边形定则”的实验中：

(1)在实验过程中某同学的部分实验步骤如下，请仔细读题并完成有关空缺部分内容：

A．将一根橡皮筋的一端固定在贴有白纸的竖直平整木板上，另一端绑上两根细线；

B．在其中一根细线上挂上5个质量相等的钩码，使橡皮筋拉伸，如图5甲所示，记录：______________________、______________________；

C．将步骤B中的钩码取下，然后分别在两根细线上挂上4个和3个质量相等的钩码，用两个可移动的光滑定滑轮使两细线互成角度，如图乙所示，小心调整两定滑轮的位置，使__________________，记录__________________；

cos α(2)如果“力的平行四边形定则”得到验证，那么图乙中＝________. cos β

图5 4．某同学用如图6所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”．弹簧测力计A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A和B的示数，并在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向．

图6 (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O点静止在同一位置

(3)某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请您提出两个解决办法．

答案 1. (1)F′(2)B (3)①C E ②C中应加上“记下两条细绳的方向” E中应说明“把橡皮条的结点拉到同一位置O”

2.(1)以水平方向为x轴，竖直方向为F轴，建立直角坐标系，然后描点，选尽可能多的点连成一条线，其图线的斜率即为弹簧的劲度系数k，在直线上任取一点，如(6×10－2,3.23.2)，则k＝－2 N/m≈53 N/m. 6×10

(2)弹簧秤的读数为2.10 N，选标度合力的图示如图所示．

(3)经测量，合力F合＝3.3 N. 3.(1)B.结点O到达的位置 细线上拉力的方向

4 C．结点O到达与B中相同的位置

两根细线上力的方向 (2)

3 4. (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更换成较大量程的弹簧测力计、改变弹簧测力计B拉力的方向等)