2025版高考物理全程一輪復(fù)習(xí)第二章相互作用實(shí)驗(yàn)三探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律學(xué)案

實(shí)驗(yàn)三探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律素養(yǎng)目標(biāo)1.掌握實(shí)驗(yàn)原理、器材、步驟及注意事項(xiàng)．2．理解教材基本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法，并會(huì)進(jìn)行誤差分析．3．理解創(chuàng)新和拓展實(shí)驗(yàn)原理并會(huì)處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差分析．一、實(shí)驗(yàn)思路與操作裝置圖與思路思路：(1)記分力(大小、方向)；(2)記合力(大小、方向)；(3)觀察圖形．操作要領(lǐng)(1)裝置安裝：在方木板上用圖釘固定一張白紙，如圖甲．(2)記錄數(shù)據(jù)：①兩個(gè)彈簧測力計(jì)的使用：如圖乙，用鉛筆描下O點(diǎn)位置和細(xì)繩套的方向，并記錄兩彈簧測力計(jì)的讀數(shù)．②一個(gè)彈簧測力計(jì)的使用：如圖丙，仍使小圓環(huán)處于O點(diǎn)，記下彈簧測力計(jì)的讀數(shù)和細(xì)繩套的方向．(3)畫圖與觀察圖形(4)重復(fù)實(shí)驗(yàn)二、數(shù)據(jù)處理及分析1．畫圖：從白紙上O點(diǎn)出發(fā)用力的圖示法畫出拉力F1、F2和F.用虛線把拉力F的箭頭分別與F1、F2的箭頭連接．如圖所示．2．觀察圖形觀察所圍成的形狀像不像一個(gè)平行四邊形．位置不變同一次實(shí)驗(yàn)中，橡皮條拉長后的小圓環(huán)O必須保持位置不變．拉力(1)細(xì)繩應(yīng)適當(dāng)長一些，便于確定力的方向．不要直接沿細(xì)繩方向畫直線，應(yīng)在細(xì)繩兩端畫兩個(gè)射影點(diǎn)．去掉細(xì)繩后，連直線確定力的方向．(2)應(yīng)盡量使橡皮條、彈簧測力計(jì)和細(xì)繩套位于與紙面平行的同一平面內(nèi)．(3)彈簧測力計(jì)示數(shù)盡量大些，讀數(shù)時(shí)眼睛要正視，要按有效數(shù)字正確讀數(shù)和記錄．誤差分析(1)彈簧測力計(jì)本身的誤差．(2)讀數(shù)誤差和作圖誤差．(3)兩分力F1、F2間的夾角θ過大或過小，用平行四邊形定則作圖得出的合力F的相對誤差也越大．考點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)例1某研究小組做“探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”實(shí)驗(yàn)，所用器材：方木板一塊，白紙，量程為5N的彈簧測力計(jì)兩個(gè)，橡皮條(帶兩個(gè)較長的細(xì)繩套)，小圓環(huán)，刻度尺，三角板，圖釘(若干個(gè))．主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：a．橡皮條的一端與輕質(zhì)小圓環(huán)相連，另一端固定；b.用手通過兩個(gè)彈簧測力計(jì)共同拉動(dòng)小圓環(huán)，小圓環(huán)運(yùn)動(dòng)至O點(diǎn)，記下兩彈簧測力計(jì)的讀數(shù)F1和F2及兩細(xì)繩套的方向；c．用一個(gè)彈簧測力計(jì)將小圓環(huán)拉到O點(diǎn)，記下彈簧測力計(jì)的讀數(shù)F及細(xì)繩套的方向；d．在白紙上做出力F、F1和F2的圖示，猜想三者的關(guān)系，并加以驗(yàn)證．(1)b、c步驟中將小圓環(huán)拉到同一位置O的目的是________________；(2)某次操作后，在白紙上記錄的痕跡如圖丁所示，請你在圖丁中完成步驟d.例2以下是某實(shí)驗(yàn)小組探究“兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”的過程．首先進(jìn)行如下操作：①如圖甲，兩細(xì)繩套栓在橡皮條的一端，另一端固定在水平木板上，橡皮條的原長為GE；②如圖乙，用手通過兩個(gè)彈簧測力計(jì)共同拉動(dòng)橡皮條．橡皮條和細(xì)繩套的連接點(diǎn)在拉力F1、F2的共同作用下，位于O點(diǎn)，橡皮條伸長的長度為EO；③撤去F1、F2，改用一個(gè)力F單獨(dú)拉住其中一根細(xì)繩套，仍使其位于O點(diǎn)，如圖丙．(1)同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，力F單獨(dú)作用，與F1、F2共同作用的效果是一樣的，由于兩次橡皮條伸長的長度、方向相同，即橡皮條對小圓環(huán)的拉力相同，所以F等于F1、F2的合力．本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是____________．A．理想實(shí)驗(yàn)法B．等效替代法C．控制變量法D．建立物理模型法(2)然后實(shí)驗(yàn)小組探究了合力F與分力F1、F2的關(guān)系：①由紙上O點(diǎn)出發(fā)，用力的圖示法畫出拉力F1、F2和F(三個(gè)力的方向沿各自細(xì)繩的方向，三個(gè)力大小由彈簧測力計(jì)讀出)；②用虛線將拉力F的箭頭端分別與F1、F2的箭頭端連接，如圖丁，此圖形應(yīng)該是________________；③多次改變拉力F1、F2的大小和方向，重做上述實(shí)驗(yàn)，通過畫各力的圖示，進(jìn)一步檢驗(yàn)所圍成的圖形．(3)若F′是以F1、F2為鄰邊構(gòu)成的平行四邊形的對角線，一定沿GO方向的是________(選填“F”或“F′”)．(4)若在圖乙中，F(xiàn)1、F2夾角大于90°，現(xiàn)保持O點(diǎn)位置不變，拉力F2方向不變，增大F1與F2的夾角，將F1緩慢轉(zhuǎn)至水平向右的過程中，兩彈簧秤示數(shù)大小變化為________．A．F1一直增大F2一直增大B．F1先減小后增大F2一直增大C．F1一直增大F2一直減小D．F1一直增大F2先減小后增大[解題心得]考點(diǎn)二探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)例3[2024·寧夏銀川模擬]某同學(xué)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置來“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”，支架上有兩根豎直桿，兩支架后放置一豎直平板，平板上貼有白紙，左側(cè)桿上固定一拉力傳感器A，一根不可伸長的細(xì)繩一端連接拉力傳感器，另一端連接在右側(cè)桿上的B點(diǎn)，細(xì)繩長度大于兩桿間距，不計(jì)輕小滑輪質(zhì)量．實(shí)驗(yàn)步驟如下：①用天平測出重物的質(zhì)量m；②將細(xì)繩繞過光滑的輕小滑輪，重物懸掛于滑輪下，使之處于靜止?fàn)顟B(tài)；③記下B點(diǎn)位置、滑輪與細(xì)繩接觸點(diǎn)O的位置，讀出并記錄拉力傳感器的示數(shù)F1；④改變B點(diǎn)在右側(cè)桿的位置，使重物仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，記下滑輪與細(xì)繩接觸點(diǎn)O的位置，讀出并記錄拉力傳感器的示數(shù)F2；⑤多次改變B點(diǎn)在右側(cè)桿的位置，重復(fù)②③步驟．回答下列問題：(1)在實(shí)驗(yàn)過程中，步驟③④所記錄拉力傳感器的示數(shù)F1________F2(填“>”“＜”或“＝”)．(2)作圖時(shí)，下列圖像可能正確的________．(3)根據(jù)步驟⑤多次改變B點(diǎn)在右側(cè)桿的位置，可以觀察得出滑輪與細(xì)繩接觸點(diǎn)O的軌跡是在一個(gè)________上(填“橢圓”“圓”或“直線”)．[解題心得]例4某同學(xué)利用身邊現(xiàn)有器材做“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)，沒有找到橡皮筋，只找到一個(gè)重物和一個(gè)彈簧測力計(jì)，細(xì)繩若干．(1)用彈簧測力計(jì)(已校零)提起重物，重物靜止時(shí)，讀數(shù)如圖甲所示，則該重物的重力為________N；(2)把重物按圖乙所示方式懸掛，若繩a保持水平狀態(tài)，繩b與豎直方向的夾角θ為45°，把繩a換成彈簧測力計(jì)時(shí)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)為2.50N，把繩b換成彈簧測力計(jì)時(shí)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)為3.60N，在圖丙所示的坐標(biāo)紙上已給出兩個(gè)分力的方向，每個(gè)小方格的邊長代表0.1N，請?jiān)趫D中作出力的圖示，并用刻度尺測得兩分力的合力為________．(3)下列關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的一些說法，正確的是________．A．從實(shí)驗(yàn)原理看，避免了多次使用橡皮筋，使得實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差變小B．從實(shí)驗(yàn)過程看，將彈簧測力計(jì)換成繩子，很可能因兩繩夾角的變化引起偶然誤差C．保持繩a水平，改變繩b，使θ減小，則繩a上的拉力增大D．移動(dòng)繩b，當(dāng)兩繩夾角為90°時(shí)也能驗(yàn)證平行四邊形定則例5某實(shí)驗(yàn)小組用一只彈簧秤和一個(gè)量角器等器材驗(yàn)證力的平行四邊形定則，設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，固定在豎直木板上的量角器的直邊水平，橡皮筋的一端固定于量角器的圓心O的正上方A處，另一端系繩套1和繩套2.主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：ⅰ.彈簧秤掛在繩套1上豎直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，記下彈簧秤的示數(shù)F；ⅱ.彈簧秤掛在繩套1上，用手拉著繩套2，緩慢拉橡皮筋，使橡皮筋的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，此時(shí)繩套1沿0°方向，繩套2沿120°方向，記下彈簧秤的示數(shù)F1；ⅲ.根據(jù)力的平行四邊形定則計(jì)算繩套1的拉力F1′＝①________；ⅳ.比較②________，即可初步驗(yàn)證；ⅴ.只改變繩套2的方向，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟．回答下列問題：(1)完成實(shí)驗(yàn)步驟：①____________；②__________；(2)將繩套1由0°方向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)到60°方向，同時(shí)繩套2由120°方向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)到180°方向，此過程中保持橡皮筋的結(jié)點(diǎn)在O處不動(dòng)，保持繩套1和繩套2的夾角120°不變．關(guān)于繩套1的拉力F1和繩套2的拉力F2大小的變化，下列結(jié)論正確的是____________(填選項(xiàng)前的序號)．A．F1逐漸增大B．F1先增大后減小C．F2逐漸減小D．F2先減小后增大[解題心得]實(shí)驗(yàn)三探究兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律關(guān)鍵能力·分層突破考點(diǎn)一例1解析：(1)b、c步驟中將小圓環(huán)拉到同一位置O的目的是保證兩次操作力的作用效果相同；(2)在白紙上畫出各力的大小及方向，并用虛線把F的箭頭分別與F1、F2的箭頭連接．如圖，能看到所圍成的形狀像是一個(gè)平行四邊形．答案：(1)保證兩次操作力的作用效果相同(2)見解析圖例2解析：(1)此實(shí)驗(yàn)用一個(gè)力的作用效果代替兩個(gè)力的作用效果采用了等效替代法，故選B；(2)此實(shí)驗(yàn)是為了探究“兩個(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”，應(yīng)該要遵循平行四邊形法則，故此圖形應(yīng)該是平行四邊形；(3)當(dāng)是一個(gè)力作用時(shí)，O結(jié)點(diǎn)受F及GO拉力的作用，二力平衡，F(xiàn)與GO的拉力等大反向，故F一定沿GO的方向；(4)保持F2的方向及合力不變，當(dāng)F1轉(zhuǎn)動(dòng)至水平向右位置過程中，如圖F2與F1的長度一直在增加，F(xiàn)2與F1的大小一直在增加，故選A.答案：(1)B(2)平行四邊形(3)F(4)A考點(diǎn)二例3解析：(1)由于O點(diǎn)為活結(jié)，同一根繩，AO繩的拉力等于BO的拉力，根據(jù)對稱性，AO與豎直方向的夾角和BO與豎直方向的夾角相等，設(shè)為θ，兩豎直桿間距為d，由幾何關(guān)系可知sinθ＝d又彈力的大小為F＝mg可知B點(diǎn)上下移動(dòng)不影響θ角，故兩次B在豎直桿上的不同位置，則F1＝F2.(2)以O(shè)點(diǎn)為研究對象，重力實(shí)際作用效果在豎直線上，因?yàn)檎`差的存在，兩繩合力的理論值要與實(shí)際值有一定偏差，故B圖和D圖不符合實(shí)際，由于兩繩拉力總是相等，A圖也不符合實(shí)際，A、B、D錯(cuò)誤，C正確．故選C.(3)改變B的位置，B是在右側(cè)豎直方向運(yùn)動(dòng)，由幾何關(guān)系可知，AO與豎直方向的夾角不變，所以可以觀察到O點(diǎn)的軌跡是直線．答案：(1)＝(2)C(3)直線例4解析：(1)彈簧測力計(jì)的讀數(shù)要估讀到分度值的下一位，分度值為0.1N，則該重物重力為2.60N．(2)作出力的圖示如圖所示，可得合力為2.59N．(3)從實(shí)驗(yàn)原理看，沒有多次使用橡皮筋，避免了勁度系數(shù)改變的影響，減小了系統(tǒng)誤差，A正確；從實(shí)驗(yàn)過程看，彈簧測力計(jì)換成繩子，很可能因兩繩夾角的變化引起偶然誤差，B正確；繩a水平，改變繩b，使θ減小，有tanθ＝FaG則繩a上的拉力減小，C錯(cuò)誤；