第三章实验：验证胡克定律与力的平行四边形定则 实验报告与题目练习-2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

实验报告：验证胡克定律，验证力的平行四边形定则 一、验证胡克定律 1、实验器材 弹簧、钩码、铁架台、坐标纸、 (填测量工具) 。 2、实验原理 (1) 测弹力 (拉力) 的原理: ; (2) 胡克定律F= kx。 3、实验步骤 (1) 在 (填竖直悬挂或水平放置) 时测量弹簧原长l₀； (2)如图乙所示，在弹簧下端挂质量为m₁的钩码，测出此时弹簧的长度l₁，记录m₁和l₁； (3) 改变所挂钩码的质量，测出对应的弹簧长度，记录m₂、m₃、m₄、m₅、……和相应的弹簧长度l₂、l₃、l₄、l₅、…; (4) 计算出每次弹簧的伸长量x(x=l-l₀)和弹簧受到的拉力F(F= mg),并将数据填入表格. 1 2 3 4 5 6 7 F/N 0 l/ cm x/ cm 0 4、数据处理 建立直角坐标系，以F为纵轴，x为横轴，根据测量数据用描点法作图.连接各点得出F随弹簧伸长量x变化的图线。 静力学实验 (答案在第4页) 共4页 第1页 5、注意事项与问题反思 (1) 实验中弹簧下端挂的钩码不要太多，为什么? (2)若考虑弹簧自重，且弹簧原长是在水平放置时测量的，那么图象会变成什么样? (画出来) 此时还能求出正确的劲度系数吗? (若不能，说明原因，若能，说明方法。) 6、选做实验 探究弹簧串联时的劲度系数关系。 二、验证力的平行四边形定则 1、实验仪器 方木板、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、图钉(若干)、铅笔、 (填测量工具) 。 2、实验原理 矢量合成法则。 静力学实验 (答案在第4页) 共4页 第2页 3、实验步骤 (1) 在方木板上用图钉固定一张白纸，如图甲所示，用图钉把橡皮条的一端固定在木板上A点，在橡皮条的另一端拴上两个细绳套； (2)用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条将结点拉到某位置O，用铅笔描下 ，并记录两弹簧测力计的读数； (3) 用一个弹簧测力计把橡皮条拉到 记下弹簧测力计的读数和细绳的方向； (4)如图乙所示，按适当的比例作出用两个弹簧测力计拉时的拉力F₁和F₂的图示以及用一个弹簧测力计拉时的拉力F′的图示，利用刻度尺和三角板，以F₁、F₂为邻边画出 ，并画出对角线F； (5) 比较F与F'的大小和方向，看它们在实验误差允许范围内是否相同，从而验证平行四边形定则。 4、数据处理 数据记录与平行四边形可以画在下一页空白处。 5、注意事项与问题反思 (1) 同一次实验中，两个测力计拉橡皮条跟一个测力计拉橡皮条要保证结点位置不变，是为了保证两个力作用和一个力作用时的什么相同? 这里体现了什么物理思想? (2) 应使橡皮条、弹簧测力计和细绳套位于与纸面 的同一平面内。 (3) 两个分力F₁、F₂间的夹角θ不要太大或太小，为什么? (4) 在同一次实验中，各个力的图示选定的比例要相同。 (5) 弹簧测力计使用前没调零会造成误差。 (6) 使用中，弹簧测力计的弹簧和外壳之间、指针和外壳之间或弹簧测力计的外壳和纸面之间有摩擦力存在都会造成误差? 静力学实验 (答案在第4页) 共4页 第3页 平行四边形作图： 答案：一、1、刻度尺，2、二力平衡，3、竖直悬挂，5、会超过弹性限度； 图象不过原点，求F-x图斜率依然可以计算正确的劲度系数。二、1、刻度尺，3、结点的位置，拉力的方向，同一位置O，平行四边形，5、作用效果相同，等效替代思想； 平行； 要么合力太小，要么分力画得很短，不能充分利用白纸的空间使偶然误差较大； 外壳与弹簧、指针之间摩擦会造成误差，外壳与纸面之间摩擦无影响。 静力学实验 (答案在第4页) 共4页 第4页 实验：验证胡克定律，验证平行四边形法则 1.在做“探究求合力的方法”的实验中，以下说法中征确的是( ) A.用两只弹簧测力计拉橡皮条时，两细绳之间的夹角必须为90°，以便求出合力的大小 B.用两只弹簧测力计拉橡皮条时，结点的位置必须与用一只弹簧测力计拉时结点的位置重合 C.若用两只弹簧测力计拉时合力的图示F与用一只弹簧测力计拉时拉力的图示 F' 不完全重合，说明力的合成的平行四边形定则不一定是普遍成立的 D.同一实验过程中，结点 O的位置允许变动 2.(多选)在做“探究求合力的方法”实验时，使用弹簧测力计必须注意( ) A.测量前检查弹簧测力计的指针是否指在零点 B.测量前应把两弹簧测力计互相勾在一起并对拉，观察它们的示数是否相同，应选用示数相同的一对弹簧测力计 C.在用弹簧测力计拉橡皮条时，外壳不要与指针摩擦 D.两根细绳必须等长 3.某同学做“探究弹力和弹簧伸长量的关系”的实验. (1)图甲是不挂钩码时弹簧下端指针所指的标尺刻度，其示数为7.75cm； 图乙是在弹簧下端悬挂钩码后指针所指的标尺刻度，此时弹簧的伸长量Δl为 cm. (2)本实验通过在弹簧下端悬挂钩码的方法来改变弹簧的弹力，关于此操作，下列选项中规范的做法是 (填选项前的字母) A.逐一增挂钩码，记下每增加一只钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重 B.随机增减钩码，记下增减钩码后指针所指的标尺刻度和对应的钩码总重 (3)图丙是该同学描绘的弹簧的伸长量Δl与弹力F的关系图线，图线的AB段明显偏离直线OA，造成这种现象的主要原因是 . 静力学实验 共4 页 第1页 4.在“探究弹力与弹簧伸长量的关系，并测定弹簧的劲度系数”的实验中，实验装置如图所示.所用的每个钩码的重力相当于对弹簧提供了向右恒定的拉力.实验时先测出不挂钩码时弹簧的自然长度，再将5个钩码逐个挂在绳子的下端，每次测出相应的弹簧总长度. (1)有一个同学通过以上实验测量后把6组数据描点在坐标系中，请作出 F—L图线. (2)由此图线可得出该弹簧的原长L₀= cm, 劲度系数k= N/m. (3)试根据该同学以上的实验情况，帮助他设计一个记录实验数据的表格(不必填写其实验测得的具体数据). (4)该同学实验时，把弹簧水平放置与弹簧悬挂放置相比较，优点在于： 缺点在于： 5.做“探究求合力的方法”的实验时： (1)除已有的器材(方木板、白纸、弹簧测力计、细绳套、刻度尺、图钉和铅笔)外，还必须有 和 (2)在做上述实验时，在水平放置的木板上用图钉固定一张白纸，把橡皮条的一端固定在板上，另一端结两个细绳套，通过细绳用两个互成角度的弹簧测力计拉橡皮条，使结点移到某一位置O，此时需记下：① ② ，③ .然后用一个弹簧测力计把橡皮条拉长，使结点到达 ，再记下 (3)在某次实验中，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F₁₁与F₂的合力的实验值.通过把 和 进行比较，验证平行四边形定则. 静力学实验 共4页 第2页 6.某同学用如图甲所示的装置探究求合力的方法.将一木板(图中未画出)竖直放置，与铁架台和轻弹簧所在平面平行.其部分实验操作如下，请完成下列相关内容： (1)如图甲，在木板上记下悬挂两个钩码时弹簧末端的位置O； (2)卸下钩码然后将两细绳套系在弹簧下端，用两弹簧测力计将弹簧末端拉到同一位置O，记录细绳套AO、BO的 及两弹簧测力计相应的读数.图乙中 B 弹簧测力计的读数为 N; (3)该同学在坐标纸上画出两弹簧测力计拉力， 的大小和方向如图丙所示，请在图丙中作出 的合力 (4)已知钩码的重力，可得弹簧所受的拉力F如图丙所示，观察比较F和 得出结论： 7.有同学利用如图所示的装置来探究求合力的方法：在竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，将绳子打一个结点O，每个钩码的重量相等，当系统达到平衡时，根据钩码个数读出三根绳子的拉力 FTOA、FTOB和FTOC, 回答下列问题： (1)改变钩码个数，实验能完成的是 ((绳子能承受的拉力足够大) 静力学实验 共4页 第3页 A.钩码的个数 B.钩码的个数 C.钩码的个数 D.钩码的个数 (2)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是 . A.标记结点O的位置，并记录OA、(OB、OC三段绳子的方向和钩码↑数 B.量出OA、OB、OC三段绳子的长度 C.用量角器量出三段绳子之间的夹角 D.用天平测出钩码的质量 (3)在作图时，你认为图中 (选填“甲”或“乙”)是正确的. 静力学实验 共4页 第4页 实验：验证胡克定律，验证平行四边形法则 答案 1.答案 B 解析 理论上，细绳之间的夹角是任意的，不需要计算，可以用弹簧测力计和细绳确定力的大小和方向，A错误； 前后两次结点的位置相同，力的作用效果才相同，B正确，D错误； 由于测量和作图存在误差，F'和F的方向不一定重合，实验可以证明，在误差允许的范围内，平行四边形定则总是成立的，C错误. 2.答案 ABC 解析 A、B选项是为了读数准确，C可以保证准确的测出拉力的大小，细绳的作用是能显示出力的方向，所以不要求必须等长，D错误. 3.答案 (1)6.91(6.90~6.92) (2)A (3)超出弹簧的弹性限度 解析 (1)由题图乙标尺刻度可知示数l₂=14.66cm, Δl=l₂-l₁=6.91cm. (2)为防止弹簧超出弹性限度，应逐渐增加钩码的重量，故选 A. (3)由题图丙知AB段伸长量与弹力不成线性关系，主要原因是钩码重力超出弹簧的弹性限度. 4.答案 见解析 解析 (1)F—L 图线如图所示: (2)弹簧的原长L₀即弹力为零时弹簧的长度，由图象可知， 劲度系数为图象直线部分的斜率，k=20N/m. (3)记录实验数据的表格如下表 次数 1 2 3 4 5 6 弹力F/N 弹簧的长度L/(×10 ²m) (4)优点是：可以避免弹簧自身重力对实验的影响. 缺点是：弹簧与桌面及绳子与滑轮间存在的摩擦会造成实验误差. 静力学实验答案 共2页 第1页 5.答案 (1)三角板 橡皮条 (2)①O点位置 ②细绳所指方向 ③相应弹簧测力计读数 同一位置 O点 弹簧测力计读数和细绳方向 6.答案 (2)方向 11.40 (3)如图所示 (4)在实验误差允许范围内F和F相等，求合力可遵循平行四边形定则 7.答案 (1)BCD (2)A (3)甲 解析 (1)对O 点受力分析如图所示， OA、OB、OC分别表示FTOA、FTOB、FToc的大小, 由于三个共点力处于平衡, 所以FTOA、FTOB的合力大小等于 FTOC, 且 即 故B、C、D能完成实验. (2)为探究求合力的方法，必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点O的位置，其次要作出力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此要做好记录，应从力的三要素角度出发，要记录钩码的个数和记录OA、OB、OC三段绳子的方向，故A 正确，B、C、D错误. (3)以O点为研究对象，F₃的实际作用效果在OC这条线上，由于误差的存在， 的合力的理论值与实际值有一定偏差，故题图甲符合实际，题图乙不符合实际. 静力学实验答案 共2页 第2页 学科网（北京）股份有限公司 $$