新高考物理一輪復(fù)習(xí)實驗重難點專題實驗03 探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律 （含解析）

實驗03探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律1.掌握實驗原理、器材、步驟及注意事項.2.理解教材基本實驗的數(shù)據(jù)處理方法，并會進行誤差分析.3.理解創(chuàng)新和拓展實驗原理并會處理數(shù)據(jù)，進行誤差分析．1．實驗原理(1)等效法：一個力F′的作用效果和兩個力F1、F2的作用效果都是讓同一條一端固定的橡皮條伸長到同一點，所以一個力F′就是這兩個力F1和F2的合力，作出力F′的圖示，如圖所示．(2)平行四邊形定則：根據(jù)平行四邊形定則作出力F1和F2的合力F的圖示．(3)驗證：比較F和F′的大小和方向，若在誤差允許的范圍內(nèi)相等，則驗證了力的平行四邊形定則．2．實驗器材木板、白紙、圖釘若干、橡皮條、細繩、彈簧測力計(2只)、三角板、刻度尺等．3．實驗步驟(1)用圖釘把一張白紙釘在水平桌面上的木板上，如圖所示．(2)用兩個彈簧測力計分別鉤住兩個繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結(jié)點到達某一點O.(3)用鉛筆描下結(jié)點O的位置和兩個細繩套的方向，并記錄彈簧測力計的讀數(shù)F1、F2，利用刻度尺和三角板作平行四邊形，畫出對角線所代表的力F.(4)只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結(jié)點拉到與前面實驗中的相同位置O，記下彈簧測力計的讀數(shù)F′和細繩的方向，以同樣的標度作出F′的圖示．(5)比較F和F′，觀察它們在實驗誤差允許的范圍內(nèi)是否相等．4．數(shù)據(jù)處理(1)用鉛筆和刻度尺從結(jié)點O沿兩條細繩方向畫直線，按選定的標度作出這兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，此對角線即為合力F的圖示．(2)用刻度尺從O點按同樣的標度沿記錄的方向作出拉力F′的圖示．(3)比較F與F′是否完全重合或幾乎完全重合，從而驗證平行四邊形定則．5．注意事項(1)彈簧相同：使用彈簧測力計前，要先觀察指針是否指在零刻度處，若指針不在零刻度處，要設(shè)法調(diào)整指針，使之指在零刻度處，再將兩個彈簧測力計的掛鉤鉤在一起，向相反方向拉，兩個示數(shù)相同方可使用．(2)位置不變：在同一次實驗中，使橡皮條拉長時結(jié)點的位置一定要相同．(3)角度合適：用兩個彈簧測力計鉤住細繩套互成角度地拉橡皮條時，其夾角不宜太小，也不宜太大，以60°～120°之間為宜．(4)盡量減少誤差：在合力不超出量程及在橡皮條彈性限度內(nèi)形變應(yīng)盡量大一些；細繩套應(yīng)適當長一些，便于確定力的方向．(5)統(tǒng)一標度：在同一次實驗中，畫力的圖示選定的標度要相同，并且要恰當選定標度，使力的圖示稍大一些．6.對本實驗的改進創(chuàng)新的方法常見創(chuàng)新實驗方案合力的改進：橡皮筋伸長到同一位置→鉤碼(重物)的重力不變分力的改進：彈簧測力計示數(shù)→eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(力傳感器,鉤碼的重力))力的大小創(chuàng)新：彈簧測力計的示數(shù)→橡皮筋長度的變化【典例1】（2022·河北·大名縣第一中學(xué)高三階段練習(xí)）某實驗小組做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖甲所示，其中A為固定橡皮條的圖釘，O為橡皮條與細繩的結(jié)點，OB和OC為細繩，圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結(jié)果畫出的圖。（1）按照正常實驗操作，圖乙中的F與F′兩力中，方向一定沿AO方向的是___________；（2）某同學(xué)認為在此過程中必須注意以下幾項其中正確的是___________（填入相應(yīng)的字母）A．兩根細繩必須等長B．橡皮條應(yīng)與兩繩夾角的平分線在同一直線上C．在用兩個彈簧秤同時拉細繩時要注意使兩個彈簧秤的讀數(shù)相等D．在使用彈簧秤時要注意使彈簧秤與木板平面平行E.在用兩個彈簧秤同時拉細繩時必須將橡皮條的另一端拉到用一個彈簧秤拉時記下的位置（3）在另一小組研究兩個共點力合成的實驗中，兩個分力的夾角為θ，合力為F，F(xiàn)與θ的關(guān)系圖像如丁圖所示。已知這兩分力大小不變，則任意改變這兩個分力的夾角，能得到的合力大小的變化范圍是___________。【答案】

SKIPIF1<0

DE##ED

SKIPIF1<0【解析】（1）[1]圖乙中F是通過平行四邊形定則得到兩個彈簧秤拉力合力的理論值，而F′是通過一個彈簧秤沿AO方向拉橡皮筋的力，是合力的實際值，所以一定沿AO方向的是SKIPIF1<0。（2）[2]A．為減小力的方向的測量誤差，兩根細繩可以適當長些，但不需要等長，故A錯誤；BC．只有當兩個彈簧秤拉力大小相等時，橡皮條才與兩繩夾角的平分線在同一直線上，而本實驗中兩個彈簧秤的拉力大小并不要求一定相等，故BC錯誤；D．在使用彈簧秤時要注意使彈簧秤與木板平面平行，從而減小力的測量誤差，故D正確；E。在用兩個彈簧秤同時拉細繩時必須將橡皮條的另一端拉到用一個彈簧秤拉時記下的位置，從而確保兩次力的作用效果相同，故E正確。故選DE。（3）[3]設(shè)兩個分力中較大的力為F1，較小的力為F2，由圖可知SKIPIF1<0時SKIPIF1<0SKIPIF1<0時SKIPIF1<0解得SKIPIF1<0，SKIPIF1<0任意改變這兩個分力的夾角，能得到的合力大小的變化范圍是SKIPIF1<0【典例2】（2022·浙江省衢州市教育局高三階段練習(xí)）在“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”實驗中：（1）該實驗運用的思想方法是___________；A．等效替代法

B．控制變量法

C．理想模型法（2）某次實驗中，彈簧秤的指針位置如圖所示，其讀數(shù)為___________N；（3）該小組的同學(xué)用同套器材做了四次實驗，白紙上留下的標注信息有結(jié)點位置O，力的標度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點，如圖所示。其中對于提高實驗精度最有利的是___________。A．B．C．D．【答案】

A

2.00

B【解析】（1）[1]探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律的實驗中需要我們讓兩次拉時的效果相同，所以是采用了等效替代法。故選A；（2）[2]由圖可知，彈簧秤的最小分度為0.1N，則其讀數(shù)為2.00N；（3）[3]A．為了便于確定拉力的方向，拉橡皮條的細繩要稍長一些，同時在紙上描點時，所描的點不要太靠近結(jié)點，該圖中所描的點太靠近結(jié)點，故A錯誤；B．該圖中所描的點到結(jié)點的距離適中，力的大小適中，而且兩個力的角度的大小也適中。故B正確；C．實驗要方便、準確，兩分力適當大點，讀數(shù)時相對誤差小，但不宜太大，該圖中的讀數(shù)都太小，故C錯誤；D．該圖中兩個分力之間的夾角太小，這樣誤差容易大，故D錯誤。故選B。【典例3】（2022·吉林·吉化第一高級中學(xué)校高三階段練習(xí)）某實驗小組用如圖1所示裝置進行驗證力的平行四邊形定則的實驗，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細繩的結(jié)點，OB和OC為細繩。（1）某次實驗中兩彈簧測力計拉力及兩個拉力的合力F的示意圖如圖2所示，SKIPIF1<0為一個彈簧測力計拉橡皮筋時的拉力。如果沒有操作失誤則圖2中的F與SKIPIF1<0兩方中，方向一定沿AO方向的是___________。（2）關(guān)于實驗操作，下列步驟中必要的是___________。A．同一次實驗中，使橡皮筋拉長時，結(jié)點O的位置一定要相同B．實驗前要將兩只彈簧測力計豎直互鉤對拉，檢查兩彈簧測力計讀數(shù)是否相同C．兩分力的夾角應(yīng)取90°較好，便于之后運算中采用勾股定理以驗證平行四邊形定則D．拉力方向應(yīng)與木板平面平行，且兩個分力的值要適當大些（3）同學(xué)接著進行了如圖3所示的實驗，一豎直木板上固定白紙，白紙上附有角度刻度線，彈簧測力計a和b連接細線系于O點，其下端用細線掛一重物Q，使結(jié)點O靜止在角度刻度線的圓心位置。分別讀出彈簧測力計a和b的示數(shù)，并在白紙上記錄拉線的方向。則圖中彈簧測力計a的示數(shù)為___________N；彈簧測力計a、b均繞O點順時針緩慢轉(zhuǎn)動，且保持兩彈簧測力計間的夾角不變，直到彈簧測力計a方向水平為止，此過程中彈簧測力計a的示數(shù)會___________、彈簧測力計b的示數(shù)會___________（填“變大”、“不變”、“變小”、“先變大后變小”或“先變小后變大”）?！敬鸢浮?/p>

SKIPIF1<0

AD

5.80

變小

變大【解析】（1）[1]用一根彈簧秤拉皮筋時，拉力的方向與橡皮筋的方向在同一條直線上，即F與F′兩個力中，方向一定沿AO方向的是F′。（2）[2]A．在同一次實驗中，應(yīng)使力的作用效果相同，使橡皮筋拉長時，結(jié)點O的位置一定要相同，故A正確；B．彈簧測力計使用前應(yīng)該校零，即將兩彈簧測力計調(diào)零后水平互鉤對拉，選擇兩個讀數(shù)相同的測力計，豎直互拉會有重力的影響，故B錯誤；C．兩個分力夾角θ不宜過大，也不宜過小，不一定非要是90°，也不用以勾股定理求解合力以驗證平行四邊形定則，故C錯誤；D．本實驗是通過在白紙上作力的圖示來驗證平行四邊形定則，為了減小實驗誤差，彈簧秤、細繩、橡皮條都應(yīng)與木板平行，拉力方向應(yīng)與木板平面平行，否則，作出的是拉力在紙面上的分力，誤差較大，為了減小作圖時畫線的誤差，拉力應(yīng)適當大一些，故D正確。故選AD。（3）[3]彈簧測力計a的分度值為0.1N，需要估讀到0.01N，所以示數(shù)為5.80N。[4][5]由題意，根據(jù)幾何關(guān)系可知，彈簧測力計a、b對O的拉力Fa、Fb以及Q對O的拉力G組成的矢量三角形內(nèi)接于圓內(nèi)，如圖所示可知在彈簧測力計a、b均繞O點順時針緩慢轉(zhuǎn)動直到彈簧測力計a方向水平的過程中，彈簧測力計a示數(shù)變小，彈簧測力計b的示數(shù)會變大?！镜淅?】（2022·福建省漳平第一中學(xué)模擬預(yù)測）如圖為“探究互成角度的力的合成規(guī)律”的實驗，三個細線套SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0，共系于一個結(jié)點，另一端分別系于輕質(zhì)彈簧測力計A、B和重物M上，A掛于固定點P。手持B拉動細線，使結(jié)點靜止于O點。（1）某次實驗中彈簧測力計A的指針位置如圖甲所示，其讀數(shù)為___________N。（2）圖乙中的F與SKIPIF1<0兩力中，方向和細線PO方向相同的是___________（選填“F”或“SKIPIF1<0”）。（3）本實驗采用的科學(xué)方法是___________（填字母序號）A．理想實驗法

B．等效替代法

C．控制變量法

D．建立物理模型法【答案】

SKIPIF1<0

SKIPIF1<0

B【解析】（1）[1]由圖示彈簧測力計可知，其分度值為SKIPIF1<0，再估讀到最小刻度的下一位，則彈簧測力計讀數(shù)為SKIPIF1<0（2）[2]如圖乙所示，F(xiàn)是通過平行四邊形定則做出來的合力的圖示，SKIPIF1<0是用一個彈簧測力計拉橡皮筋時拉力的圖示，所以后者方向與細繩PO方向相同。（3）[3]本實驗通過使兩個互成角度的力共同作用時的效果與另一個力單獨作用時的效果相同研究這兩個互成角度的力與另一個力的關(guān)系，故采用的科學(xué)方法是等效替代，故ACD錯誤，B正確。故選B。【典例5】（2020·吉林·長嶺縣第二中學(xué)高三階段練習(xí)）某同學(xué)做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖甲所示，其中A為固定橡皮條的圖釘，O為橡皮條與細繩的結(jié)點，OB和OC為細繩。圖乙是在白紙上根據(jù)實驗結(jié)果畫出的圖。（1）如果沒有操作失誤，圖乙中的F與SKIPIF1<0兩力中，方向一定沿AO方向的是___________。（2）本實驗采用的科學(xué)方法是___________（填正確答案標號）。A．理想實驗法

B．等效替代法C．控制變量法

D．建立物理模型法（3）下列說法正確的是___________（填正確答案標號）。A．拉橡皮條的繩細一些且長一些B．拉橡皮條時，彈簧秤、橡皮條、細繩應(yīng)靠近木板且與木板面平行C．同一次驗證過程中O點位置應(yīng)相同D．拉力F1和F2的夾角應(yīng)該較?。?）由于實驗室沒有細繩，在進行實驗時，圖甲中的OB和OC可以用橡皮條代替嗎？___________。（選填“可以”或“不可以”）【答案】

F

B

ABC

可以【解析】（1）[1]圖乙中的F與SKIPIF1<0中，SKIPIF1<0是由平行四邊形得出的，而F是通過實驗方法得出的，所以其方向一定與橡皮筋的方向相同，即一定與AO共線的是F。（2）[2]本實驗采用的科學(xué)方法是等效替代法，即一個力單獨作用效果和兩個力共同作用效果相同。故選B。（3）[3]A．拉橡皮條的繩要細一些且長一些，以便記錄拉力的方向，故A正確；B．拉橡皮條時，彈簧秤、橡皮條、細繩應(yīng)靠近木板且保證與木板平面平行，故B正確；C．同一次驗證過程中O點位置應(yīng)相同，以保證等效性，故C正確；D．拉力F1和F2的夾角應(yīng)該大小適當，故D錯誤。故選ABC。（4）[4]在進行實驗時，圖甲中的OB和OC可以用橡皮條代替；理由：因為OB和OC的作用是確定兩個力的方向。【典例6】(2022·廣東梅州市高三模擬)某學(xué)生學(xué)習(xí)小組在課外做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗．(1)該實驗需要用到如圖甲所示的彈簧測力計，并用對拉的方法來選擇兩個