词条 | 平行四边形定则实验 |
释义 | 【实验 验证力的平行四边形定则】 基本测量工具和测量数据 基本测量工具及其使用 ①弹簧秤测两个分力的大小和等效合力的大小②量角器测量由平行四边形定则作图得到的合力F与用一个弹簧秤直接拉出的合力F′的夹角θ③刻度尺(或者绘图三角板)则是作力的方向时画线和用一定比例长度表示力的大小 使用弹簧秤应注意: ①使用前要先调到零点,再用标准砝码检查示值是否准确,如不准,可以旋转卡在弹簧圈的三角形钢片来改变弹簧的工作圈数,对于示值偏大的,应把三角片向上拧几圈,减少弹簧的工作圈数,增大劲度系数;对于示值偏小的则采取相反措施。 ②使用时弹簧的伸长方向和所测拉力方向要一致。 ③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磨擦。 (2)测量数据的有效数字。 ①J2104型测力计,其刻度是“0-5牛”,分度值0.1牛,在任意点的示值误差都不大于0.05牛,因此测量数据的有效数字末位就在精度的同一位,只准确到0.1牛即可,若无估读,则在百分位上补“0”表示测量的准确度。 在实际应用中,还存在分度值为0.2牛的条形测力计,使用估读时可以将每1分度分为2等分,若指针超过1等分即超过半格就算1个分度值0.2牛,小于1等分即未超过半格就舍去,这样的示值误差也不大于0.05牛,测量数据的有效数字末位就在精度的同一位,若无估读仍不需在百分位补“0”。 ②量角器的测量角度值准确到1°即可,由实验经验得知:在两个分力都不小于2牛、分力夹角不大于90°的条件下,用作图得到的合力F跟实测结果F′比较,在方向上相差一般不超过5°,无估读时在有效数字末位补“0” 2.实验条例与点拨 [实验目的] 验证平行四边形定则 [实验器材] 方木板一块②测力计两个③细绳两段④橡皮条一段⑤白纸⑥铅笔⑦刻度尺⑧量角器⑨图钉 点拨:测力计可以只用一个,分别测出两个分力,虽然操作较麻烦,但可避免两个测力计的不一致性带来的误差。 [实验原理] 利用测力计测力作矢量图验证力的平行四边形定则。 [实验步骤] (1)把橡皮条的一端固定在板上的A点。 (2)用两条细绳结在橡皮条的另一端,通过细绳用两个弹簧秤互成角度拉橡皮条,橡皮条伸长,使结点伸长到O点(如图2-1) 点拨:经验得知两个分力F1、F2间夹角θ越大,用平行四边形作图得出的合力F的误差也越大,所以实验中不要把θ角取得太大,一般不大于90°为最佳。 橡皮条、细绳、测力计应在同一平面内,测力计的挂钩应避免与纸面磨擦。 (3)用铅笔记下O点的位置,画下两条细绳的方向,并记下两个测力计的读数。 点拨:拉橡皮条的细线要长些,标记每条细线方向的方定是使视线通过细线垂直于纸面,在细线下面的纸上用铅笔点出两个定点的位置,并使这两个点的距离要尽量远些。 (4)在纸上按比例作出两个力F1、F2的图示,用平行四边形定则求出合力F。 点拨:作图要用尖铅笔,图的比例要尽量大些,要用严格的几何方定作出平行四边形,图旁要画出表示力的比例线段,且注明每个力的大小和方向。 (5)只用一个测力计,通过细绳把橡皮条上的结点拉到同样的位置O点,记下测力计的读数和细绳的方向,按同样的比例作出这个力F′的图示,比较F′与用平行四边形定则求得的合力F,比较合力大小是否相等,方向是否相同。 (6)改变F1和F2的夹角和大小,再做两次。 点拨:改变分力大小和夹角再做两次时,每次都把橡皮条的结点拉到O点,为了直观地看出分力可能大于合力,可以使其中一次两个分力的夹角大于120°。 [实验记录] 项目 次数 分力F1(牛) 分力F2(牛) 用平行四边形定则作图量出合力F 用一个测力计直接测出F1、F2的合力F′ F′与F的夹角θ(度) 1 2.0 2 3 点拨(1):实验中根据记录两个分力F1、F2的夹角a和对应的一个弹簧秤测出的实际合力F′描点作图象,如图2-2所示,则由图象可求出这个弹簧秤的实际拉力的值域和对应分力的值域。 对(甲)图,由|F1-F2|=2牛,F1+F2=10牛,得F′∈[2牛,10牛]F1(或F2)∈[4牛,6牛]; 对(乙)图由|F1-F2|=2,F+F22=102得F′∈[2牛,14牛],F1(或F2)∈[6牛,8牛]。 点拨(2):互成角度两个力的合力的变化,看橡皮条结点O的位置变化,而在每次实验中橡皮条结点的位置是不能改变的。 点拨(3):综上所述,本实验误差主要来源有: ①用两个测力计拉橡皮条时,橡皮条、细绳和测力计不在同一个平面内,这样两个测力计的水平分力的实际合力比由作图法得到的合力小。 ②结点O的位置和两个测力计的方向画得不准,造成作图的误差。 ③两个分力的起始夹角a太大,如大于120°,再重做两次实验,为保证结点O位置不变(即保证合力不变),则a变化范围不大,因而测力计示数变化不显著,读数误差大。 ④作图比例不恰当造成作图误差。 实验中易混淆的是:量角器测量的F′与F的偏角θ与不需测量的F1与F2的夹角a。易错的是:由作图法得到的合力F和单个测力计测量的实际合力F′错乱。易忘的是:忘记检查测力计的零点,忘了记下用一个弹簧秤测量的实际合力F′的大小和方向。 [实验结论] 用平行四边形定则作图量出两个分力F1、F2的合力F与用一个测力计直接测出的合力F′,在误差范围内是相等的。 3.实验变通 变通(1):在验证两个互成角度的共点力合成遵从平行四边形定则的实验中,只用一个测力计,其他的器材不变,请叙述实验步骤和方法。 变通(2):不用弹簧秤,只用三条相同的橡皮条、四个图钉、一把直尺和一支铅笔、三张白纸、平木板也可以验证平行四边形定则、其步骤、方法如下: ①将三条橡皮的一端都拴在一个图钉O上,将这三条橡皮的另一端分别再拴一个图钉A、B、C,注意此时四个图钉均未固定在板上,如图2-3。 ②用刻度尺测出橡皮条的自由长度L0,注意从图钉脚之间测起。 ③将拴有橡皮的图钉A、B适当张开钉在木板上,拉第三根橡皮C,即使三条橡皮互成角度拉伸,待节点处的图钉O静止时,钉下C图钉,并记录图钉O的位置(注意此时O图钉不能钉)记录图钉A、B、C的位置,(此时图钉有孔,不需铅笔) ④测出这三条橡皮的长度L1、L2、L3,分别算出它们的伸长量X1= L1-L0,X2= L2-L0,X3= L3-L0。 ⑤将X1、X2、X3按一定比例图示出来,以X1、X2为邻边作平行四边形,求出其对角线OC′,比较OC′与OC的长度(即X3的长度)相等,且在一条直线上,则达到目的,若OC′与OC有一微小夹角θ,则有误差(图2-3所示)。 本实验是根据图钉O受到三个平面共点力而静止,任意两个力的合力与第三个力大小相等方向相反的原理。 4.误差分析 (1)误差来源:除弹簧测力计本身的误差外,还有读数误差,作图误差等。 (2)减小误差的办法 实验中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计刻度,要按有效数字和弹簧测力极大的精度正确读书和记录。 5.练习 (1)在《互成角度的两个共点力的合成》实验中,用A、B两只弹簧秤把结点拉到某一位置O,这时两绳套AO、BO的夹角∠AOB<90°,如图2-4所示,现改变弹簧秤A的拉力方向而不改变拉力大小,使a角减小,那么要使结点仍被拉到O点就应调整弹簧秤B的拉力大小及β角,则下列调整方法可行的是[ ] 增大弹簧秤B的拉力的同时增大β角 B.增大弹簧秤B的拉力的同时保持β角不变 C.保持B的拉力大小不变,增大β角 D.增大B的拉力的同时减小β角 (2)在互成角度的两个力的合成实验中,某同学用长钉代替图钉固定橡皮条于A点,操作时,一个测力计向上仰角为a,另一个测力计向下倾角为β,而只用一个测力计拉结点至O点时,测力计保持水平,如图2-5所示,根据实验数据画出了图2-6,则下列说定正确的是[ ] A.图2-6中标出的F1、F2和F、F′四个力,其中F′不是由测力计直接测量的。 B.图2-6中F1偏大,F2偏小 C.图2-6中F1、F2均偏大 D.由作图得到的合力大于由一个测力计直接测量的合力 (3)在两个共点力的合成实验中,在两个测力计F1、F2拉力作用下,橡皮条结点在O点,现只保持一个测力计的方向不变时(设只保持分力F2的方向不变),改变另一个分力F1的大小和方向,使结点回到原位置O点,则F1和F2的大小和方向关系如何? |
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