驗證平行四邊形定則實驗的幾種做法分析

河南

王春旺

殊途同歸，等效替代。

驗證平行四邊形定則實驗的幾種做法分析

王春旺

驗證力的平行四邊形定則(或探究求合力的方法)的實驗思想是等效替代法，數(shù)據(jù)處理是作圖法。所謂等效替代法就是把復(fù)雜的物理現(xiàn)象和過程用相對簡單的進(jìn)行等效替代，或利用另一種測量儀器進(jìn)行等效替代的思想方法。在驗證力的平行四邊形定則實驗中，等效法的應(yīng)用體現(xiàn)在兩個彈簧測力計以一定的角度同時拉橡皮條產(chǎn)生的形變與一個彈簧測力計拉橡皮條產(chǎn)生的形變相同。

驗證“力的平行四邊形定則”(或探究求合力的方法)實驗除了教材介紹的木板上彈簧秤拉橡皮筋做法外，通常還有四種做法：

做法一：用彈簧秤拉物體。

在豎直平面內(nèi)，用兩個彈簧秤以一定角度懸掛一個重物，記下兩個彈簧秤的讀數(shù)和方向、重物的質(zhì)量，用力的圖示作圖來說明力的平行四邊形定則?；蛟谒矫鎯?nèi)用三個彈簧秤拉同一物體，記下彈簧秤的讀數(shù)和方向，用力的圖示作圖來說明力的平行四邊形定則。

【例1】以下是小麗同學(xué)在“探究共點力作用下物體的平衡條件”實驗中的操作步驟。請完成步驟中的填空：

(1)將一方形薄木板平放在桌面上，在板面上用圖釘固定好白紙，將三個彈簧測力計的掛鉤用細(xì)線系在小鐵環(huán)上，如圖1甲所示。

圖1

【解析】要驗證力的平行四邊形定則，需要知道三個力的大小和方向。當(dāng)鐵環(huán)平衡時，分別記下測力計的示數(shù)F1、F2、F3和它們的方向，并作出各個力的圖示。按照平行四邊形定則作出F1、F2的合力F12，如圖1乙所示。比較F12和F3，若在實驗誤差范圍內(nèi)，F(xiàn)12和F3大小相等方向相反，則力的平行四邊形定則得到驗證。

【答案】(2)平衡 它們的方向 (3)平行四邊形定則F3

做法二：用定滑輪將鉤碼重力轉(zhuǎn)化為細(xì)線拉力。

在豎直平面內(nèi)，利用定滑輪將鉤碼重力轉(zhuǎn)化為細(xì)線拉力，驗證力的平行四邊形定則。

【例2】如圖2所示的實驗裝置可以用來驗證力的平行四邊形定則，帶有滑輪的方木板豎直放置，為了便于調(diào)節(jié)繩子拉力的方向，滑輪可以安放在木板上的多個位置。

圖2

(1)請把下面的實驗步驟補充完整：

①三段繩子各自懸掛一定數(shù)目的等質(zhì)量鉤碼，調(diào)整滑輪在木板上的位置，使得系統(tǒng)靜止不動。

③記錄三段繩子懸掛鉤碼的個數(shù)以及三段繩子的方向。

④三段繩子上的拉力FA、FB、FC可用鉤碼數(shù)量來表示，根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作出力的圖示FA、FB、FC。

做法三：用三個相同的橡皮筋。

通過測量三個相同的橡皮筋的伸長量，得出三根橡皮筋中的拉力關(guān)系，驗證平行四邊形定則。

圖3

【例3】某同學(xué)在家中嘗試驗證平行四邊形定則，他找到三條相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、鉛筆、細(xì)繩、白紙、釘子，設(shè)計了如圖3所示的實驗：將兩條橡皮筋的一端分別掛在墻上的兩個釘子A、B上，另一端與第三條橡皮筋連接，結(jié)點為O，將第三條橡皮筋的另一端通過細(xì)繩掛一重物。

A.測量細(xì)繩的長度

B.測量橡皮筋的原長

C.測量懸掛重物后橡皮筋的長度

D.記錄懸掛重物后結(jié)點O的位置

【解析】由胡克定律可知，需要知道橡皮筋的原長、懸掛重物后橡皮筋的長度，才能計算出各個橡皮筋中的相對彈力。需要記錄懸掛重物后結(jié)點O的位置，才能確定上面兩根橡皮筋中彈力的方向，所以操作中必需的是BCD項。釘子位置固定，欲利用現(xiàn)有器材，改變條件再次實驗驗證，可采用的方法是更換質(zhì)量不同的重物，掛在第三條橡皮筋的下端，改變?nèi)龡l橡皮筋中的彈力，再次驗證平行四邊形定則。

【答案】(1)BCD (2)更換質(zhì)量不同的重物

做法四：用力的傳感器。

用力的傳感器測量細(xì)線中的拉力，畫出結(jié)點的受力分析圖，驗證平行四邊形定則。

【例4】(2017·昆明模擬)某學(xué)生實驗小組設(shè)計了一個“驗證力的平行四邊形定則” 的實驗，裝置如圖4甲所示。在豎直放置的木板上部附近兩側(cè)，固定兩個力傳感器，同一高度放置兩個可以移動的定滑輪，兩根細(xì)繩跨過定滑輪分別與兩力傳感器連接，在兩細(xì)繩連接的結(jié)點O處下方懸掛鉤碼，力傳感器1、2的示數(shù)分別為F1，F(xiàn)2。調(diào)節(jié)兩個定滑輪的位置可以改變兩細(xì)繩間的夾角。實驗中使用若干相同的鉤碼，每個鉤碼質(zhì)量均為100 g，取g=9.8 m/s2。

圖4

A.實驗開始前，需要調(diào)節(jié)木板使其位于豎直平面內(nèi)

B.每次實驗不需要保證結(jié)點位于O點

C.實驗時需要記錄鉤碼數(shù)量、兩力傳感器的示數(shù)和三細(xì)繩的方向

D.實驗時還需要用力傳感器單獨測量懸掛于O點鉤碼的總重力

【解析】(1)實驗開始前，需要調(diào)節(jié)木板使其位于豎直平面內(nèi)，以保證鉤碼重力等于細(xì)線中的拉力，選項A正確；該裝置每次實驗不需要保證結(jié)點位于O點，選項B錯誤；實驗時需要記錄鉤碼數(shù)量、兩力傳感器的示數(shù)和三細(xì)繩的方向，選項C正確；懸掛于O點鉤碼的總重力可以根據(jù)鉤碼的質(zhì)量得出，不需要力傳感器測量，選項D錯誤。

(2)利用平行四邊形定則作出F1和F2的合力F。該合力方向不完全在豎直方向的可能原因是定滑輪有摩擦、木板未豎直放置等。

【答案】(1)AC (2)如圖5所示 定滑輪有摩擦、木板未豎直放置等

圖5

河南省洛陽市第二中學(xué))