实验3:验证力的平行四边形定则
1.(20xx年高考天津卷第9。2题)在探究合力的方法时,先将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上带有绳套的两根细绳。实验时,需要两次拉伸橡皮条,一次是通过两细绳用两个弹簧秤互成角度地拉橡皮条,另一次是用一个弹簧秤通过细绳拉橡皮条。
○1实验对两次拉伸橡皮条的要求中,下列哪些说法是正确的(填字母代号)
A.将橡皮条拉伸相同长度即可B.将橡皮条沿相同方向拉到相同长度
C.将弹簧秤都拉伸到相同刻度D.将橡皮条和绳的结点拉到相同位置
○2同学们在操作过程中有如下议论,其中对减小实验误差有益的说法是(填字母代号)
A.两细绳必须等长
B.弹簧秤、细绳、橡皮条都应与木板平行
C.用两弹簧秤同时拉细绳时两弹簧秤示数之差应尽可能大
D.拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些
答案:(2)①BD;②BD
【解析】①因为力是矢量,所以选BD。
E.②因为力要在同一平面内,所以选B,另外,拉橡皮条的细绳要长些,标记同一细绳方向的两点要远些,可以使力的方向画得较准确,所以选D。
本题考查力的平行四边形法则实验。
2.(2009。17分)(1)在“验证力的平行四边形定则”实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳,细绳的一另一端都有绳套(如图)。实验中需用两个弹簧秤分别勾住绳套,并互成角度地拉像皮条。某同学认为在此过程中必须注意以下几项:(05全国Ⅰ)
A.两根细绳必须等长
B.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上。
C.在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤与木板平面平行。
其中正确的是。(填入相应的字母)
【答案】C。
3.(2009高考山东23.(1))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)和若干小事物,以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉字,设计了如下实验:将两条橡皮筋的一端分别在墙上的两个钉子A、B上,另一端与第二条橡皮筋连接,结点为O,将第三条橡皮筋的另一端通过细胞挂一重物。
①为完成实验,下述操作中必需的是。
a.测量细绳的长度
b.测量橡皮筋的原长
c.测量悬挂重物后像皮筋的长度
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,改变条件再次实验证,可采用的方法是
【答案】(1)①bcd②更换不同的小重物
4.2005全国理综卷第22(1)题(17分)(1)在“验证力的平行四边形定则”实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳,细绳的一另一端都有绳套(如图)。实验中需用两个弹簧秤分别勾住绳套,并互成角度地拉像皮条。某同学认为在此过程中必须注意以下几项:(05全国Ⅰ)
A.两根细绳必须等长
B.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上。
C.在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤与木板平面平行。
其中正确的是。(填入相应的字母)
(1)答案:C
第5讲实验验证力的平行四边形定则
1.探究力的平行四边形定则的实验原理是等效原理,其等效性是指()
A.使两分力与合力满足平行四边形定则
B.使两次橡皮筋与细绳套的结点都与某点O重合
C.使两次橡皮筋伸长的长度相等
D.使弹簧秤在两种情况下发生相同的形变
答案:B
2.
图2-6-5
在“验证力的平行四边形定则”实验中,需要将橡皮条的一端固定在水平木板上,另一端系上两根细绳,细绳的另一端都有绳套(如图2-6-5所示).实验中需用两个弹簧秤分别勾住绳套,并互成角度地拉橡皮条.某同学认为在此过程中必须注意以下几项:
A.两根细绳必须等长
B.橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上
C.在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤与木板平面平行
其中正确的是()
解析:该实验验证两个分力的效果等效于其合力的效果,不必要求两分力等大,故B错;与两绳长短无关,A错;但需使两分力与合力在同一平面内,故C正确.
答案:C
3.关于验证平行四边形定则的实验,请回答下列问题:
(1)在该实验中,合力与分力的概念是一种________的科学思想方法.
(2)某同学在做该实验时,弹簧测力计平行于木板如图2-6-6(a)放置,然后记录力的大小和方向,请你指出这样操作的问题:__________________________________.
图2-6-6
(3)某同学完成该实验后得到的图形如图2-6-6(b)所示,图上所画的四个力中,由一个弹簧测力计拉橡皮条得到的力是________.
答案:(1)等效替代
(2)弹簧测力计的轴线与细线套不在同一直线上,导致测量数据不准确
(3)F应按照实验要求做好实验,重视实验中的几个注意点.本题中的F′是以F1、F2为邻边所作的平行四边形的对角线,故F是用一个弹簧测力计拉橡皮条得到的力.
4.图2-6-7为“探究求合力的方法”的实验装置.
(1)下列说法中正确的是()
A.在测量同一组数据F1、F2和合力F的过程中,橡皮条结点O的位置不能变化
B.弹簧测力计拉细线时,拉力方向必须竖直向下
C.F1、F2和合力F的大小都不能超过弹簧测力计的量程
D.为减小测量误差,F1、F2方向间夹角应为90°
(2)弹簧测力计的指针如图2-6-8所示,由图可知拉力的大小为________N.
解析:(1)在测量同一组数据的过程中,橡皮条结点O的位置不能变化,如果变化,即受力变化,所以A选项正确;由于弹簧测力计是通过定滑轮拉结点O,定滑轮只能改变力的方向不能改变力的大小,所以弹簧测力计拉线的方向不一定要沿竖直方向,B选项错误;弹簧测力计的使用,不能超过其量程,C选项正确;两个拉力的方向合适即可,不宜太大,也不宜太小,但不一定为90°,所以D选项错误.
(2)考查弹簧测力计的读数.
答案:(1)AC(2)4.00
5.(2009山东,23)请完成以下两小题.
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:将两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)为完成该实验,下述操作中必需的是________.
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:运用等效思想来验证平行四边形定则,即要验证以两力为平行四边形的邻边,作平行四边形,其对角线是否和合力相符.本小题中结点受三个力,其中两个力的合力与第三个力等大反向,故先测出各力的大小和方向,然后作出各力的图示,以两边为邻边做平行四边形,如果在实验误差范围内平行四边形的对角线与第三个力等大反向,即可验证.为测量各力的大小故需要记录橡皮筋原长、悬挂重物后的长度以及记录悬挂重物后O点位置.故应选bcd.可以通过改变小重物改变各力的大小.
答案:(1)bcd(2)更换不同的小重物
实验02探究弹力和弹簧伸长的关系
(对应学生用书P29)
一、实验目的
1.探究弹力与弹簧伸长量的定量关系.
2.学会用列表法、图象法、函数法处理实验数据.
二、实验原理
弹簧受到拉力会伸长,平衡时弹簧产生的弹力和外力大小相等;弹簧的伸长越大,弹力也就越大.
三、实验器材
铁架台、弹簧、钩码、刻度尺、坐标纸
四、实验步骤
1.安装实验仪器
2.测量弹簧的伸长(或总长)及所受的拉力(或所挂钩码的质量),列表作出记录,要尽可能多测几组数据
3.根据所测数据在坐标纸上描点,以力为纵坐标,以弹簧的伸长为横坐标.
4.按照在图中所绘点的分布与走向,尝试作出一条平滑的曲线(包括直线),所画的点不一定正好在这条曲线上,但要注意使曲线两侧的点数大致相同.
某同学利用如图(a)装置做“探究弹簧弹力大小与其长度的关系”的实验.
(1)在安装刻度尺时,必须使刻度尺保持____________状态.
(2)他通过实验得到如图(b)所示的弹力大小F与弹簧长度x的关系图线,由此图线可得该弹簧的原长x0=____________cm,劲度系数k=____________N/m.
(3)他又利用本实验原理把该弹簧做成一把弹簧秤,当弹簧秤上的示数如图(c)所示时,该弹簧的长度x=__________cm.
解析:(1)弹簧是竖直的,要减小误差,刻度尺必须与弹簧平行,故刻度尺要保持竖直状态;
(2)弹簧处于原长时,弹力为零,故原长为4cm;弹簧弹力为2N时,弹簧的长度为8cm,伸长量为4cm;根据胡克定律F=kΔx,有:k=FΔx=2N0.04m=50N/m;
(3)由图(c)得到弹簧的弹力为3N,根据图(b)得到弹簧的长度为10cm.
答案:(1)竖直(2)4,50(3)10
解决本题的关键掌握弹力与弹簧伸长关系的实验步骤,会描点作图,掌握作图的方法.会从图象中分析数据,本题中先组装器材,然后进行实验,最后数据处理.伸长量等于实际长度减去原长.以纵轴表示弹簧的弹力,横轴表示弹簧的伸长量,描点作图.让尽量多的点落在直线上或分居直线两侧.根据F与x成正比关系,写出表达式.
(对应学生用书P30)
一、数据处理
1.列表法
将测得的F、x填入设计好的表格中,可以发现弹力F与弹簧伸长量x的比值在误差允许范围内是相等的.
2.图象法
以弹簧伸长量x为横坐标,弹力F为纵坐标,描出F、x各组数据相应的点,作出的拟合曲线,是一条过坐标原点的直线.
3.函数法
弹力F与弹簧伸长量x满足F=kx的关系.
二、注意事项
1.不要超过弹性限度:实验中弹簧下端挂的钩码不要太多,以免弹簧被过分拉伸,超过弹簧的弹性限度.
2.尽量多测几组数据:要使用轻质弹簧,且要尽量多测几组数据.
3.观察所描点的走向:本实验是探究性实验,实验前并不知道其规律,所以描点以后所作的曲线是试探性的,只是在分析了点的分布和走向以后才决定用直线来连接这些点.
4.统一单位:记录数据时要注意弹力及弹簧伸长量的对应关系及单位.
三、误差分析
1.钩码标值不准确、弹簧长度测量不准确带来误差.
2.画图时描点及连线不准确也会带来误差.
某同学在探究弹力和弹簧伸长的关系,并测定弹簧的劲度系数k.
主要实验步骤如下:将待测弹簧的一端固定在铁架台上,然后将毫米刻度尺竖直放在弹簧一侧,并使弹簧另一端的指针恰好指在刻度尺上.当弹簧自然下垂时,指针的指示值记作L0;弹簧下端挂一个砝码时,指针的指示值记作L1;弹簧下端挂两个砝码时,指针的指示值记作L2……;挂七个砝码时,指针的位置如图所示,指针的指示值记作L7.
已知每个砝码的质量均为50g,测量记录表:
代表符号L0L1L2L3L4L5L6L7
刻度数值/cm1.703.405.106.858.6010.3012.10
(1)实验中,L7的值还未读出,请你根据上图将这个测量值填入记录表中.
(2)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,分别计算出了四个差值:d1=L4-L0,d2=L5-L1,d3=L6-L2,d4=L7-L3.
根据以上差值,可以求出每增加50g砝码的弹簧平均伸长量ΔL.ΔL用d1、d2、d3、d4表示的式子为ΔL=____________.
(3)计算弹簧的劲度系数k=____________N/m.(g取9.8m/s2).
解析:(1)尺的最小分度值为1mm,刻度尺读数:L7=14.05cm
(2)根据以上差值,可以求出每增加50g砝码的弹簧平均伸长量ΔL.ΔL用d1、d2、d3、d4表示的式子为:
ΔL=d1+d2+d3+d44×4=d1+d2+d3+d416,其中d1=L4-L0=4ΔL,d2=L5-L1=4ΔL,d3=L6-L2=4ΔL,d4=L7-L3=4ΔL
(3)根据胡克定律有:m0g=kL,充分利用测量数据,k=ΔFΔx=0.05×9.81.75×10-2=28N/m
答案:(1)14.05(14.03~14.07均可)
(2)d1+d2+d3+d416(3)28
(对应学生用书P31)
本实验一般是在教材实验原理的基础上设计新情景进行考查,因此,要在教材实验的基础上注重迁移创新能力的培养,善于用教材中实验的原理、方法和技巧处理新问题.
高考考情演变
装置时
代化
甲乙丙
求解智
能化1.弹力的获得:弹簧竖直悬挂,重物的重力作为弹簧的拉力,存在弹簧自重的影响→弹簧水平使用,重物的重力作为弹簧的拉力,消除了弹簧自重的影响.
2.图象的获得:由坐标纸作图得F-x图象→由传感器和计算机输入数据直接得F-x图象
橡皮筋也像弹簧一样,在弹性限度内,弹力F与伸长量x成正比,即F=kx,k的值与橡皮筋未受到拉力时的长度L、横截面积S有关,理论与实践都表明k=YSL,其中Y是一个由材料决定的常数,材料力学上称之为杨氏模量.
(1)在国际单位制中,杨氏模量Y的单位应该是()
A.NB.m
C.N/mD.Pa
(2)有一段横截面是圆形的橡皮筋,应用如图所示的实验装置可以测量出它的杨氏模量Y的值.首先利用测量工具a测得橡皮筋的长度L=20.00cm,利用测量工具b测得橡皮筋未受到拉力时的直径D=4.000mm,那么测量工具a应该是____________,测量工具b应该是__________
(3)下面的表格是橡皮筋受到的拉力F与伸长量x的实验记录.
拉力F/N510152025
伸长量x/cm1.63.24.76.48.0
请作出F-x图象,由图象可求得该橡皮筋的劲度系数k=____________N/m.
(4)这种橡皮筋的Y值等于__________
解析:(1)在弹性限度内,弹力F与伸长量x成正比,F=kx,由题意可知k=YSL,则F=kx=YSLx,解得杨氏模量Y=FLxS,各物理量取国际单位得杨氏模量的单位是N/m2=Pa,选项D正确.
(2)根据精度判断可知a为毫米刻度尺,b为螺旋测微器.
(3)根据表格数据,描点、连线,可得F-x图象如图所示.根据斜率的物理意义表示劲度系数k,可知k=Fx≈312.5N/m.
(4)根据Y=kLS求得,Y≈4.98×106Pa.
答案:(1)D(2)毫米刻度尺螺旋测微器(3)见解析图312.5(4)4.98×106Pa
减小实验误差的两种方法
本实验的系统误差来自弹簧的重力,所以改进实验的思路应该是尽可能减小弹簧自重的影响:
(1)一个方案是选择劲度系数较小的轻弹簧,通过减小读数的相对误差来提高实验的精确度.
(2)另一个方案是利用传感器:将弹簧水平放置,一端固定在传感器上,对弹簧施加变化的作用力(推力或拉力)时,得到对应的弹簧形变量.
1.(20xx全国卷Ⅱ)某实验小组探究弹簧的劲度系数k与其长度(圈数)的关系.实验装置如图(a)所示:一均匀长弹簧竖直悬挂,7个指针P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6分别固定在弹簧上距悬点0、10、20、30、40、50、60圈处;通过旁边竖直放置的刻度尺,可以读出指针的位置,P0指向0刻度.设弹簧下端未挂重物时,各指针的位置记为x0;挂有质量为0.100kg的砝码时,各指针的位置记为x.测量结果及部分计算结果如下表所示(n为弹簧的圈数,取重力加速度为9.80m/s2).已知实验所用弹簧总圈数为60,整个弹簧的自由长度为11.88cm.
图(a)
P1P2P3P4P5P6
x0(cm)2.044.066.068.0510.0312.01
x(cm)2.645.267.8110.3012.9315.41
n102030405060
k(N/m)163①56.043.633.828.8
1k(m/N)
0.0061②0.01790.02290.02960.0347
(1)将表中数据补充完整:①____________,②__________
(2)以n为横坐标,1k为纵坐标,在图(b)中给出的坐标纸上画出1k-n图象.
图(b)
(3)图(b)中画出的直线可近似认为通过原点.若从实验中所用的弹簧截取圈数为n的一段弹簧,该弹簧的劲度系数k与其圈数n的关系的表达式为k=____________N/m;该弹簧的劲度系数k与其自由长度l0(单位为m)的关系的表达式为k=____________N/m.
解析:(1)①k=mgΔx2=0.1×9.80N5.26-4.06×10-2m≈81.7N/m;
1k=181.7m/N≈0.0122m/N.
(2)描点法,画一条直线,让大部分的点都落在直线上,或均匀分布在直线两侧.
(3)设直线的斜率为a,则有1k=an,即k=1a1n,通过计算斜率即可求得k=1.75×103n;弹簧共60圈,则有n=60l00.1188,把其代入k=1a1n中可求得k=3.47l0.
答案:(1)①81.7②0.0122
(2)1k-n图象如图所示
(3)1.75×103n在1.67×103n~1.83×103n之间均可
3.47l0在3.31l0~3.62l0之间均可
2.(20xx广东卷)某同学探究弹力与弹簧伸长量的关系.
(1)将弹簧悬挂在铁架台上,将刻度尺固定在弹簧一侧.弹簧轴线和刻度尺都应在____________方向(填“水平”或“竖直”).
(2)弹簧自然悬挂,待弹簧____________时,长度记为L0;弹簧下端挂上砝码盘时,长度记为Lx;在砝码盘中每次增加10g砝码,弹簧长度依次记为L1至L6,数据如下表:
代表符号L0LxL1L2L3L4L5L6
数值/cm25.3527.3529.3531.3033.435.3537.4039.30
表中有1个数值记录不规范,代表符号为__________由表可知所用刻度尺的最小分度为__________
(3)下图是该同学根据表中数据作的图象,纵轴是砝码的质量,横轴是弹簧长度与____________的差值.(填“L0”或“Lx”)
(4)由图可知弹簧的劲度系数为____________N/m;通过图和表可知砝码盘的质量为____________g(结果保留两位有效数字,重力加速度取9.8m/s2).
解析:(1)弹簧受砝码盘和砝码竖直方向的拉力,所以测量弹簧的长度时,为减小误差,弹簧轴线和刻度尺都应在竖直方向.
(2)只有当弹簧稳定时,刻度尺读数才准确.题中数据L3只保留了小数点后1位,应与其他数据保持一致,保留2位,所以L3记录不规范.数据小数点后的第1位为精确值,第2位为估读值,所以刻度尺的最小分度为1mm.
(3)根据胡克定律可知ΔF=mg=kx,即新增加砝码的质量m(或重力mg)应与引起的相应形变量x成正比,也与题图相符合,所以x=L-Lx.
(4)题图mx图象中,图象的斜率为kg=0.5,即弹簧的劲度系数k=4.9N/m.砝码盘的质量m0满足m0g=k(Lx-L0),代入数据解得m0=10g.
答案:(1)竖直(2)稳定L31mm(3)Lx
(4)4.910
3.(20xx浙江卷)在“探究弹力和弹簧伸长的关系”时,某同学把两根弹簧如图甲所示连接起来进行探究.
甲乙
(1)某次测量如图乙所示,指针读数为____________cm.
(2)在弹性限度内,将50g的钩码逐个挂在弹簧下端,得到指针A、B的示数LA和LB见下表.用表中数据计算弹簧Ⅰ的劲度系数为____________N/m(重力加速度g=10m/s2).由表中数据____________(填“能”或“不能”)计算出弹簧Ⅱ的劲度系数.
钩码数1234
LA/cm15.7119.7123.6627.76
LB/cm29.9635.7641.5147.36
解析:(1)毫米刻度尺应估读到mm的下一位,读数为16.00cm.
(2)由F=kx得k=ΔFΔx=3mgLA4-LA1=12.45N/m.
由ΔLB=ΔLA+Δx可得弹簧Ⅱ的形变量,由k=ΔFΔx=mgΔLB-ΔLA,也可解得弹簧Ⅱ的劲度系数.
答案:(1)16.00(15.95~16.05),有效数字位数正确
(2)12.45(12.2~12.8)能
文章来源:http://m.jab88.com/j/68706.html
更多