实验验证平行四边形定则和胡克定律汇总.doc
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1、讲义编号: 2.5实验 验证平行四边形法则 探究弹力与弹簧伸长的关系 知识梳理一、验证力的平行四边形定则 1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2实验原理 等效法:使一个力F的作用效果和两个力F1、F2的作用 都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到某点,所以一个力F就是这两个力F1和F2的合力,作出力F的图示,如图所示 平行四边形法:根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示 验证:比较F和F的大小和方向是否相同,若有误差允许的范围内相同,则验证了力的平行四边形定则3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(几个) 4实验步骤
2、用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上 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,使橡皮条与绳的结点伸长到某一位置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的方向 用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线,按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力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的图示只用一只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的方向,用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这只
3、弹簧测力计的拉力F的图示 比较力F与平行四边形定则求出的合力F在大小和方向上是否相同 改变两个力F1和F2的大小和夹角,再重复实验两次5实验注意事项 在同一次实验中,使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同 用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时,其夹角不宜太小,也不宜太大,以60100之间为宜 读数时应注意使弹簧测力计与木板平行,并使细绳与弹簧测力计的轴线在同一条直线上,避免弹簧与测力计外套、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刻度,在合力不超出量程及橡皮条在弹性限度内的前提下,测量数据尽量大一些细绳应适当长一些,便于确定力的方向不要直接沿细绳方向画直线,应在细绳两端画两
4、个射影点取掉细绳后,连直线确定力的方向 以调零后的弹簧测力计的两挂钩互钩后对拉,读数相同为宜 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6实验误差分析 读数误差减小读数误差的方法: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刻度尺,要按有效数字正确读数和记录 作图误差减少作图误差的方法:作图时两力的对边一定要平行两个分力F1、F2间的夹角越大,用平行四边形作出的合力F的误差F就越大,所以实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大二、探究弹力和弹簧伸长的关系 1实验目的 探究弹力和弹簧伸长的关系 学会用列表法和图象法处理实验数据 培养用所学知识
5、探究物理规律的能力 2实验原理 在竖直悬挂的轻弹簧下端悬挂钩码,平衡时弹力大小等于钩码的重力用刻度尺量出弹簧的伸长量,改变钩码数量,重复上面实验,就可以定量地找出弹力与伸长量之间的关系3实验器材 铁架台、毫米刻度尺、被探究弹簧、钩码(几个)、坐标纸、三角板、重垂线、铅笔 . 4实验步骤 将弹簧的一端挂在铁架台上,让其自然下垂,用刻度尺测出弹簧自然伸长状态时的长度l0,即原长如图所示,将已知质量的钩码挂在弹簧的下端,在平衡时测量弹簧的总长并测出钩码的重力,填写在记录表格里.1 2 3 4 5 6 7 F/N l/cm x/cm 改变所挂钩码的数量,重复前面的实验过程多次 以弹力为纵坐标,以弹簧伸
6、长量为横坐标,建立坐标系,根据所测数据描点5数据处理列表分析:分析列表中弹簧的拉力F与对应弹簧的伸长量x的关系,可以先考虑F和x的乘积关系,再考虑F和x的比值关系,也可以考虑F和x2关系或F和关系等结论:为常数,即Fkx. 图象分析:利用表格中对应的F和x,作出Fx图象,此图象为过原点直线(如图所示),即F和x成正比例关系6误差分析 本实验的误差来源之一是由弹簧拉力大小的不稳定造成的因此,使弹簧的悬挂端固定,另一端通过悬挂钩码来充当对弹簧的拉力,可以提高实验的准确度 弹簧长度的测量,是本实验的主要误差来源所以,测量时尽量精确地测量弹簧的长度 描点、作图不准确7注意事项 每次增减钩码测量有关长度
7、时,均需保证弹簧及钩码不上下振动而处于静止状态,否则,弹簧弹力将可能与钩码重力不相等 弹簧下端增加钩码时,注意不要超过弹簧的限度 测量有关长度时,应区别弹簧原长L0,实际总长L及伸长量x三者之间的不同,明确三者之间的关系 建立平面直角坐标系时,两轴上单位长度所代表的量值要适当,不可过大,也不可过小8实验改进 上述实验中弹簧竖直,其重力对弹簧的形变量有一定影响,且人为处理弹力大小F和弹簧伸长x误差较大 .若能按以下方式,误差将明显降低将弹簧水平放置,且一端固定在传感器上,传感器与电脑相连,对弹簧施加变化的作用力(拉力或推力)时,电脑上得到弹簧弹力和弹簧形变量的关系图象(如图所示),分析图象得出结
8、论典型例题考点1.理解平行四边形定则的原理,合力安排实验步骤,科学的记录,处理实验数据【例1】在做“验证力的平行四边形定则”实验时,(1)除已有的器材(方木板、白纸、弹簧秤、细绳套、刻度尺、图钉和铅笔)外,还必须有_和_(2)要使每次合力与分力产生相同的效果,必须()A每次将橡皮条拉到同样的位置B每次把橡皮条拉直C每次准确读出弹簧秤的示数D每次记准细绳的方向(3)为了提高实验的准确性,减小误差,实验中应注意什么?(4)在“验证力的平行四边形定则”的实验中,某同学的实验结果如图所示,其中A为固定橡皮条的图钉,O为橡皮条与细绳结点的位置图中_是力F1与F2的合力的理论值;_是力F1与F2的合力的实
9、验值通过把_和_进行比较,验证平行四边形定则【解析】(1)根据实验器材要求可知,还必须有橡皮条和三角板(用来作平行四边形);(2)根据实验原理知(2)的正确答案为A;(3)实验中应注意:选用弹性小的细绳;橡皮条、细绳和弹簧秤的轴应在同一平面上,且与板面平行贴近等;(4)F,F,F,F.在本实验中,按照平行四边形定则作出的合力为F1和F2的合力的理论值,而用一个弹簧秤拉时测出的力为F1和F2的合力的实验值变式探究1(2009山东高考)某同学在家中尝试验证平行四边形定则,他找到三条相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物,以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子,设计了如下实验:如右图所示,将两
10、条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子A、B上,另一端与第三条橡皮筋连接,结点为O,将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物(1)为完成实验,下列操作中必需的是_a测量细绳的长度b测量橡皮筋的原长c测量悬挂重物后橡皮筋的长度d记录悬挂重物后结点O的位置(2)钉子位置固定,欲利用现有器材,改变条件再次验证,可采用的方法是_.【解析】(1)必需测量橡皮筋的原长和悬挂重物后橡皮筋的长度,这样才能确定橡皮筋的伸长量,确定各力的大小,还需记录悬挂重物后结点O的位置,同时记下三条橡皮筋所在的方向,以便确定各拉力的方向,根据平行四边形定则作出合力的图示因此,必需的操作是b、c、d.(2)改变条件再次验证可采用更
11、换不同的小重物的方法 【答案】(1)bcd(2)更换不同的小重物考点2.探究弹力与弹簧伸长关系的注意事项与数据处理【例2】(1)在“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验中,以下说法正确的是()A弹簧被拉伸时,不能超出它的弹性限度B用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力,应保证弹簧位于竖直位置且处于平衡状态C用直尺测得弹簧的长度即为弹簧的伸长量D用几个不同的弹簧,分别测出几组拉力与伸长量,得出拉力与伸长量之比相等(2)某同学做“探究弹力和弹簧伸长的关系”的实验,他先把弹簧平放在桌面上使其自然伸长,用直尺测出弹簧的原长L0,再把弹簧竖直悬挂起来,挂上钩码后测出弹簧伸长后的长度L,把LL0作为弹簧的伸长量x,这
12、样操作,由于弹簧自身重力的影响,最后画出的图线可能是下图中的()【解析】本题主要考查使用弹簧时应注意的问题,还有用图象法来描述弹簧的弹力与其伸长量间的关系 (1)本实验中应以所研究的一根弹簧为实验对象,在弹性限度内通过增减钩码的数目,以改变对弹簧的拉力,来探索弹力与弹簧伸长的关系,所以选A、B.(2)考虑弹簧自身重力的影响,当不挂钩码时,弹簧的伸长量x0,所以选C. 【答案】(1)AB(2)C变式探究2某同学和你一起探究弹力和弹簧伸长的关系,并测弹簧的劲度系数k.做法是先将待测弹簧的一端固定在铁架台上,然后将最小刻度是毫米的刻度尺竖直放在弹簧一侧,并使弹簧另一端的指针恰好落在刻度尺上当弹簧自然
13、下垂时,指针指示的刻度数值记作L0;弹簧下端挂一个50g的砝码时,指针指示的刻度数值记作L1;弹簧下端挂两个50g的砝码时,指针指示的刻度数值记作L2;挂七个50g的砝码时,指针指示的刻度数值记作L7.(1)下表记录的是该同学已测出的6个值,其中有两个数值在记录时有误,它们的代表符号分别是_和_测量记录表:代表符号L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 刻度数值/cm1.70 3.40 5.10 8.60 10.3 12.1 (2)实验中,L3和L7两个值还没有测定,请你根据上图将这两个测量值填入记录表中(3)为充分利用测量数据,该同学将所测得的数值按如下方法逐一求差,分别计算出了三个
14、差值: d1L4L06.90cm,d2L5L16.90cm,d3L6L27.00cm.请你给出第四个差值:d4_cm.(4)根据以上差值,可以求出每增加50g砝码时弹簧平均伸长量L.L用d1、d2、d3、d4表示的式子为:L_,代入数据解得L_cm.(5)计算弹簧的劲度系数k_N/m.(g取9.8m/s2)【解析】(1)通过对6个值的分析可知记录有误的是L5、L6.(2)用最小刻度是毫米的刻度尺测量时,正确读数并记录到毫米的下一位,即L36.85cm,L714.05cm.(3)利用逐差法并结合已求差值可知第四个差值 d4L7L314.05cm6.85cm7.20cm.(4)每增加50g砝码的弹
15、簧平均伸长量L,Lcm1.75cm.(5)根据FkL,又Fmg所以kN/m28N/m.【答案】(1)L5L6(2)6.85(6.846.86)14.05(14.0414.06)(3)L7L37.20(7.187.22)(4)1.75(5)28考点3.控制变量法在探究性实验中的应用【例3】经过纳米级结构处理过的材料叫纳米材料,其性质与处理前相比会发生很多变化,如机械性能会成倍地增加,对光的反射能力会变得非常低,熔点会大大降低,甚至有特殊的磁性质现有一种纳米合金丝,欲测定出其伸长量x与所受拉力F、长度L、截面直径D的关系(1)测量上述物理量需要的主要器材是_、_、_等(2)若实验中测量的数据如下表
16、所示,根据这些数据请写出x与F、L、D间的关系式:x_.(若用到比例系数,可用k表示)长度L/cm 拉力F/N伸长量x/cm直径D/mm 50.0 100.0 200.0 5.00 0.04 0.20 0.40 0.80 10.00 0.040 0.40 0.80 1.60 5.00 0.080 0.10 0.20 0.40 (3)在研究并得到上述关系的过程中,主要运用的科学研究方法是_(只需写出一种)(4)若有一根合金丝的长度为20cm,截面直径为0.200mm,使用中要求其伸长量不能超过原长的百分之一,那么这根合金丝能承受的最大拉力为_N. 【解析】(1)用弹簧测力计测量力的大小,用刻度尺
17、测量长度,用螺旋测微器测量直径 (2)用题目所给的数据分析可知:当力、直径一定时,伸长量与长度成正比;当力、长度一定时,伸长量与直径成反比;当长度、直径一定时,伸长量与力成正比所以有:x(取一组数据验证,式中的系数不为零)(3)研究伸长量x与拉力F、长度L、直径D的关系时,可以先控制某两个量不变,比如长度、直径不变,再研究伸长量与力的关系,这种方法称为控制变量法这是物理实验中的一个重要研究方法(4)代入表中数据把式中的k求出,再代入已知数据,可求得最大拉力k3.2108m/NFmN62.5N.【答案】(1)弹簧测力计刻度尺螺旋测微器(2)(3)控制变量法(4)62.5巩固训练1在“验证力的平行
18、四边形定则”的实验中,合力与分力的作用效果相同,这里作用效果是指()A弹簧测力计的弹簧被拉长B固定橡皮条的图钉受拉力产生形变C细绳套受拉力产生形变D使橡皮条在同一方向上伸长到同一位置 【解析】合力与分力之间是等效替代关系,所以在实验中的作用效果相同是指橡皮条的伸长量相同且伸长到同一位置 【答案】D2某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验时,主要步骤是:()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
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