驗證力的平行四邊形定則實驗的拓展例析

【摘要】本文以教材原型實驗為基礎(chǔ)，以例題的形式探究“驗證力的平行四邊形定則實驗”的拓展，并從實驗原理、實驗器材、數(shù)據(jù)處理方法和實驗過程等角度進行分析拓展，以拓寬學(xué)生視野，從容應(yīng)對高考．

【關(guān)鍵詞】高中物理；平行四邊形定則；力學(xué)實驗

驗證力的平行四邊形定則實驗在歷年高考中并非最熱門的考點．因本考點難以與其他知識點綜合考查，導(dǎo)致本實驗的考查方式比較單一．但本考點是學(xué)生首次對矢量運算的實際應(yīng)用，對學(xué)生構(gòu)建矢量思維模型，掌握位移、速度和加速度等矢量的運算規(guī)則有重要意義，因此，需要學(xué)生在熟悉教材原型實驗的基礎(chǔ)上，了解實驗拓展的方向和形式．筆者參考各版本最新教材，依據(jù)《課程標準》和《中國高考評價體系》，對驗證力的平行四邊形定則實驗的拓展再探討，希望對學(xué)生備考有所幫助．

1 實驗器材拓展

例1 一物理興趣小組用兩根完全相同的輕彈簧、一瓶礦泉水、智能手機等器材來驗證“力的平行四邊形定則”．實驗開始時，他們先將一彈簧一端固定于豎直墻壁上的釘子A上，另一端掛礦泉水瓶，如圖1甲所示；然后將兩彈簧一端分別固定在墻上的釘子A、B上，另一端連接于結(jié)點O，在結(jié)點O掛礦泉水瓶，靜止時用智能手機的測角功能分別測出AO、BO與豎直方向的偏角α、β，如圖1乙所示．改變釘子B的位置，按照上述方法多測幾次．

（1）依據(jù)上述方案并根據(jù)力的平行四邊形定則，畫出力的合成圖，必須的操作是_____（選填選項前的字母）．

（A）實驗中不需要測量彈簧的原長.

（B）考慮到礦泉水瓶的大小，墻上的釘子A、B應(yīng)適當(dāng)長一些以保持彈簧與墻面平行.

（C）需要測量圖甲、乙中彈簧的長度.

（D）圖乙中改變釘子B的位置，多次測量時，要使結(jié)點O的位置始終固定不變.

（2）根據(jù)某次的測量數(shù)據(jù)作出力的平行四邊形如圖丙所示，圖丙中_____是力F1和F2的合力的實際測量值（選填“F”或者“F′”）．

解析 （1）實驗中，甲圖用來測量合力，乙圖用來測量兩個分力，根據(jù)胡克定律，力的大小與彈簧伸長量成正比，力的大小可用彈簧伸長量來表示，因此必須測量彈簧的長度以確定伸長量，（A）錯誤，（C）正確；考慮到礦泉水瓶的大小，墻上的釘子A、B應(yīng)適當(dāng)長一些以保持彈簧與墻面平行，（B）正確；實驗中重物重力是定值，所以不必保證O點固定不變，（D）錯誤．

（2）根據(jù)某次的測量數(shù)據(jù)作出力的平行四邊形如圖丙所示，圖丙中F′是力F1和F2的合力的實際測量值，F(xiàn)是兩個分力的合力的理論值．

拓展分析 （1）本實驗利用智能手機測角功能代替了量角器，也可用智能手機的刻度尺功能測量彈簧的伸長量，進而定性分析彈簧彈力的大小．

（2）本實驗中用一瓶礦泉水代替了教材實驗中的彈簧測力計．因礦泉水瓶的質(zhì)量確定，用一根彈簧提礦泉水瓶和用兩根彈簧互成角度提礦泉水瓶，保證了前后兩次合力和分力的作用效果相同，這是實驗的創(chuàng)新點之一，也是減小實驗誤差的有效途徑．

（3）可考慮用拉力傳感器測力的大小，結(jié)合智能手機的測角功能，測出力的方向，進而可驗證力的平行四邊形定則．

（4）也可用鉤碼取代礦泉水瓶和彈簧，調(diào)節(jié)細繩的夾角和鉤碼數(shù)量，使系統(tǒng)達到靜止狀態(tài)，根據(jù)鉤碼數(shù)量間接反應(yīng)出細繩拉力的“大小”．

2 實驗原理拓展

例2 某實驗小組用如圖2所示的實驗裝置來驗證“力的平行四邊形定則”．在傾斜的桌面上平鋪一張白紙，在桌面邊緣安裝有三個光滑的輕滑輪，滑輪P1固定在桌面邊緣，輕滑輪P2和P3可沿桌面邊緣移動．將三根輕繩結(jié)在同一點O，每根繩子另一端系一個砂桶，當(dāng)系統(tǒng)達到平衡時，稱出每個砂桶和砂的總質(zhì)量可得出三根繩子的拉力FT1、FT2和FT3，回答下列問題：

（1）系統(tǒng)平衡后，固定滑輪P2和P3的位置，只改變桌面的傾斜角度，O點位置_____（填“會”或“不會”）移動；

（2）在拆卸下砂桶和繩子前，必要的步驟是_____；

（A）標記O點的位置，并記錄每段繩子的方向.

（B）測量出每段繩子的長度.

（C）量出每段繩子間的夾角.

（3）系統(tǒng)平衡后，固定滑輪P3的位置，增加P3掛著的砂桶中砂的質(zhì)量，同時改變P2掛著的砂桶中砂的質(zhì)量并將P2_____（填“逆時針”或“順時針”）移動，可使結(jié)點O位置不動．

解析 （1）系統(tǒng)平衡后，由于三根繩子的拉力FT1、FT2和FT3等于每個砂桶及砂的總重力，只改變桌面的傾斜角度，不會改變細繩拉力的大小和方向，O點受力不變，則O點位置不會移動．

（2）本實驗的原理是用力的圖示作出兩個力的合力，再和第三個力對比，若二者等大反向就驗證了平行四邊形定則．在拆卸下砂桶和繩子之前，必要的一個實驗步驟是：標記出O點的位置，并記錄三段繩子的方向．故選（A）．

（3）如圖3所示，由圖可知，系統(tǒng)平衡后，固定滑輪P3的位置，增加P3掛著的砂桶中砂的質(zhì)量，同時改變P2掛著的砂桶中砂的質(zhì)量并將P2逆時針移動，可使結(jié)點O位置不動．

拓展分析 本題在實驗原理上大膽拓展，考法新穎，借助力的平衡特點，考查了驗證力的平行四邊形定則實驗．

（1）本實驗也可將桌面水平放置，用鉤碼代替砂桶，用力的平衡特點驗證力的平行四邊形定則，裝置如圖4所示．

（2）受本題實驗原理的啟發(fā)，學(xué)生也可用家里的廢舊鐘表盤充當(dāng)實驗器材，將表盤豎直固定，橡皮筋上端固定在表盤的“12”處，設(shè)計如圖5所示的實驗，可用來驗證力的平行四邊形定則．

3 數(shù)據(jù)處理方法拓展

例3 如圖6所示，某實驗小組利用DIS實驗裝置研究支架上力的分解．A、B為兩個完全相同的雙向力傳感器，此傳感器在受到拉力時讀數(shù)為正，受到壓力時讀數(shù)為負．A傳感器連接輕繩，可沿固定板在圓弧上移動．B傳感器固定不動，通過光滑的鉸鏈連接長l = 0.3m的輕桿．現(xiàn)將輕繩連接在水平輕桿右端的O點構(gòu)成支架．實驗小組按如下步驟操作：

①測量輕繩與水平桿的夾角θ；

②使用前先對兩傳感器調(diào)零；

③用另一根輕繩在O點懸掛一個鉤碼，記錄兩個傳感器的讀數(shù)；

④取下鉤碼，沿固定板在圓弧上移動傳感器A改變θ角.

重復(fù)上述實驗步驟，得到如下表格．

（1）根據(jù)表格數(shù)據(jù)，傳感器A對應(yīng)的是力_____（填“F1”或“F2”），鉤碼質(zhì)量為_____kg（保留一位有效數(shù)字）．

（2）當(dāng)θ＝90°時，兩個傳感器的讀數(shù)分別為F1＝_____N，F(xiàn)2＝_____N．

解析 本題考查利用DIS裝置驗證平行四邊形定則．

（1）由表格中提供的數(shù)據(jù)可知，因F1都是正值，而輕繩只能提供拉力，所以傳感器A對應(yīng)的是F1．根據(jù)平衡條件有F1sin30°=mg，得m=0.05kg．

（2）當(dāng)θ=90°時，F(xiàn)1在豎直方向，根據(jù)平衡條件，即F1=mg=0.5N，F(xiàn)2=0．

拓展分析 若要用此裝置驗證力的平行四邊形定則，可參考如下操作：

（1）按如圖6安裝實驗器材，固定OA與OB之間的夾角θ（如30°或45°）；

（2）對兩個傳感器進行調(diào)零；

（3）用輕繩在O點懸掛鉤碼，記錄兩個傳感器的讀數(shù)，稱量鉤碼的質(zhì)量；

（4）作出三個力的圖示，將A傳感器的力F1與鉤碼的重力mg合成；

（5）合成結(jié)果與傳感器B的讀數(shù)對比；

（6）若近似相等，力的平行四邊形定則得證；

（7）取下鉤碼，移動傳感器A改變θ角，重復(fù)上述實驗步驟，再次驗證結(jié)果的正確性．

4 結(jié)語

高考力學(xué)實驗考查的水平一般是高于教材原型實驗的，這就要求學(xué)生在掌握必備知識和關(guān)鍵能力的同時，注重學(xué)科核心素養(yǎng)的鍛煉和提升，在學(xué)習(xí)實驗理論和開展實驗操作活動的基礎(chǔ)上，要做好實驗的創(chuàng)新研究．例如，在實驗操作過程中，由于某種原因?qū)е聦嶒炂鞑娜狈Γ瑢W(xué)生可轉(zhuǎn)換思維，考慮通過現(xiàn)有的其他實驗器材或生活用品來代替實驗中缺乏的實驗器材．完成實驗任務(wù)后，學(xué)生需要思考的問題是：本實驗過程中除了需要驗證或探究的物理規(guī)律，還遵循哪些物理規(guī)律？利用本套實驗裝置還能干什么？這樣，可提升學(xué)生的實驗拓展能力．

參考文獻：

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