高考物理總復習第二章相互作用力實驗三探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律

實驗三探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律1．實驗思路互成角度的兩個力F1、F2與另外一個力F′產生相同的效果，看F1、F2用平行四邊形定則求出的合力F與F′在實驗誤差允許范圍內是否相同。2．實驗器材木板、白紙、圖釘若干、橡皮條、細繩、彈簧測力計兩個、三角板、刻度尺、鉛筆。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。(2)用兩個彈簧測力計分別鉤住兩個細繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結點到達某一位置O。如圖1甲所示。圖1(3)用鉛筆描下結點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)，利用刻度尺和三角板根據平行四邊形定則求出合力F。(4)只用一個彈簧測力計，通過細繩套把橡皮條的結點拉到與前面相同的位置O，記下彈簧測力計的讀數(shù)F′和細繩的方向，如圖1乙所示。(5)比較F′與用平行四邊形定則求得的合力F，看它們在實驗誤差允許的范圍內是否相同。1．正確使用彈簧測力計(1)將兩只彈簧測力計調零后水平互鉤對拉過程中，讀數(shù)相同，可選；若不同，應另換或調校，直至相同為止。(2)使用時，讀數(shù)應盡量大些，但不能超出彈簧測力計量程。(3)拉力的方向應與軸線方向一致。(4)讀數(shù)時應正對、平視刻度。2．注意事項(1)位置不變：在同一次實驗中，使橡皮條拉長時結點的位置一定要相同，是為了使合力的作用效果與兩個分力共同作用效果相同，這是利用了等效替代的思想。(2)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°～100°之間為宜。(3)在合力不超出量程及在橡皮條彈性限度內形變應盡量大一些。細繩套應適當長一些，便于確定力的方向。(4)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。3．誤差分析(1)誤差來源：除彈簧測力計本身的誤差外，還有讀數(shù)誤差、作圖誤差等。(2)減小誤差的辦法①實驗過程中讀數(shù)時眼睛一定要正視彈簧測力計的刻度盤，要按有效數(shù)字位數(shù)要求和彈簧測力計的精度正確讀數(shù)和記錄。②作圖時使用刻度尺，并借助三角板，一定要使表示兩力的對邊平行。命題點一教材原型實驗【真題示例1[2018·天津卷，9(2)]某研究小組做“驗證力的平行四邊形定則”實驗，所用器材有：方木板一塊，白紙，量程為5N的彈簧測力計兩個，橡皮條(帶兩個較長的細繩套)，刻度尺，圖釘(若干個)。①具體操作前，同學們提出了如下關于實驗操作的建議，其中正確的有________。A．橡皮條應和兩繩套夾角的角平分線在一條直線上B．重復實驗再次進行驗證時，結點O的位置可以與前一次不同C．使用測力計時，施力方向應沿測力計軸線；讀數(shù)時視線應正對測力計刻度D．用兩個測力計互成角度拉橡皮條時的拉力必須都小于只用一個測力計時的拉力②該小組的同學用同一套器材做了四次實驗，白紙上留下的標注信息有結點位置O、力的標度、分力和合力的大小及表示力的作用線的點，如下圖所示。其中對于提高實驗精度最有利的是________。答案①BC②B解析①由力的平行四邊形定則知，橡皮條和兩繩套夾角的角平分線不一定在一條直線上，兩分力的大小也不一定小于合力，A、D項錯誤；驗證力的平行四邊形定則時，每次實驗需保證合力與分力作用效果相同，結點O必須在同一位置，但重復實驗時，可以改變合力的大小，故結點O的位置可以與前一次不同，B項正確；使用測力計測力時，施力方向應沿測力計軸線方向，讀數(shù)時視線應正對測力計刻度，C項正確。②為了減小畫圖時表示力的方向的誤差，記錄各個力的方向時，需要確定相對較遠的兩個點，然后連線確定力的方向，A項錯誤；根據紙張大小，選擇合適的標度，使圖盡量充滿紙面，兩力的夾角不宜過大或過小，所以B項正確，C、D項錯誤?！踞槍τ柧?】(2021·湖南省高考模擬)以下是某實驗小組探究“二力合成規(guī)律”的過程。圖2(1)首先進行如下操作：①如圖2甲，輕質小圓環(huán)掛在橡皮條的一端，另一端固定，橡皮條的長度為GE；②如圖乙，用手通過兩個彈簧測力計共同拉動小圓環(huán)。小圓環(huán)在拉力F1、F2的共同作用下，位于O點，橡皮條伸長的長度為EO；③撤去F1、F2，改用一個力F單獨拉住小圓環(huán)，仍使其位于O點，如圖丙。同學們發(fā)現(xiàn)，力F單獨作用，與F1、F2共同作用的效果是一樣的，都使小圓環(huán)保持靜止，由于兩次橡皮條伸長的長度相同，即________________________，所以F等于F1、F2的合力。(2)然后實驗小組探究了合力F與分力F1、F2的關系：①由紙上O點出發(fā)，用力的圖示法畫出拉力F1、F2和F(三個力的方向沿各自拉線的方向，三個力大小由彈簧測力計讀出)；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，得到的啟示是____________________________________________________________________________________；③多次改變拉力F1、F2的大小和方向，重做上述實驗，通過畫各力的圖示，進一步檢驗所圍成的圖形。實驗小組發(fā)現(xiàn)：在兩個力合成時，以表示這兩個力的有向線段為鄰邊作平行四邊形，這兩個鄰邊之間的對角線就代表合力的大小和方向，這個規(guī)律叫作________________，上述實驗中，如果把圖乙和圖丙的操作順序對調，即先用拉力F將圓環(huán)拉到O點，再用拉力F1和F2共同拉圓環(huán)產生相同效果，則F1和F2就是F的________，此實驗可以探究________規(guī)律。答案(1)③橡皮條對小圓環(huán)的拉力相同(2)②可構成平行四邊形③平行四邊形定則分力力的分解解析(1)③兩次橡皮條伸長的長度相等，即兩次橡皮條對小圓環(huán)的拉力相同，說明單個力F的作用效果跟F1、F2共同作用的效果相同。(2)②用虛線將拉力F的箭頭端分別與F1、F2的箭頭端連接，得到的力的圖示的圖形為平行四邊形，F(xiàn)1和F2為鄰邊，F(xiàn)為與F1和F2共頂點的對角線長度。③多次改變拉力F1、F2的大小和方向，重做上述實驗，在兩個力合成時，以表示這兩個力的有向線段為鄰邊作平行四邊形，這兩個鄰邊之間的對角線就代表合力的大小和方向，這個規(guī)律叫作平行四邊形定則；如果把圖乙和圖丙的操作順序對調，即先用拉力F將圓環(huán)拉到O點，再用拉力F1和F2共同拉圓環(huán)產生相同效果，則F1和F2就是F的分力，此實驗可以探究力的分解規(guī)律。命題點二實驗拓展創(chuàng)新【例2(2021·安徽安慶市模擬)有同學利用如圖3所示裝置來驗證力的平行四邊形定則：在豎直木板上鋪有白紙，并固定兩個光滑的滑輪A和B，三根繩子打一個結點O，各繩另一端均連接鉤碼，各鉤碼質量均相等，當系統(tǒng)如圖達到平衡時，根據鉤碼個數(shù)可讀出三根繩子的拉力F1、F2和F3，回答下列問題：圖3(1)若某次實驗中鉤碼個數(shù)N1＝2，N2＝5，則N3可能等于________(填正確答案標號)。A．2 B．4C．8 D．9(2)在實驗過程中，關于實驗操作和相關要求，下列說法正確的是________(填選項前字母)。A．實驗中三段繩子應與豎直木板平行B．實驗中需要用天平測出一個鉤碼的質量C．在某兩次實驗中，O點位置可以不同D．實驗中需要用量角器量出三段繩子之間的夾角(3)通過實驗，該同學用作圖法作出了兩個圖，如圖4甲、乙所示，你認為圖示中______(填“甲”或“乙”)是正確的。圖4答案(1)B(2)AC(3)甲解析(1)N1、N2鉤碼的重力的合力大小應該等于N3鉤碼的重力，由三角形知識應有N2－N1<N3<N2＋N1，即3<N3<7，故選項B正確。(2)實驗中繩子與木板平行才能在木板平面完成好實驗，A正確；實驗中只要知道三根繩子的拉力關系就能作圖驗證力的平行四邊形定則，因此不需要測出鉤碼的質量，B錯誤；由于每次實驗都能進行一次驗證，故兩次實驗中O點的位置可以不同，C正確；實驗中以F1、F2為鄰邊作平行四邊形驗證，無需測夾角，D錯誤。(3)實驗中F3方向應沿OC豎直方向，所以甲圖正確?！踞槍τ柧?】(2021·江西五市九校協(xié)作體聯(lián)考)某同學用如圖5所示的實驗裝置來驗證“力的平行四邊形定則”。彈簧測力計A掛于固定點P，下端用細線掛一重物M，彈簧測力計B的一端用細線系于O點，手持另一端向左拉，使結點O靜止在某位置。分別讀出彈簧測力計A和B的示數(shù)，并在貼于豎直木板的白紙上記錄O點的位置和拉線的方向。圖5(1)下列的實驗要求中不必要的是________A．細線AO與BO之間的夾角應盡可能大于90°B．改變拉力的大小與方向，進行多次實驗，每次都要使O點靜止在同一位置C．細線應盡可能長一些D．應測量重物M所受的重力(2)圖6的示數(shù)為________N；圖6(3)圖7是在白紙上根據實驗結果畫出的力的圖示，下列說法正確的是________。圖7A．圖中的F′是力F1和F2合力的理論值B．圖中的F是力F1和F2合力的理論值C．F是力F1和F2合力的實際測量值D．本實驗將細繩都換成橡皮條，同樣能達到實驗目的答案(1)AB(2)3.80(3)ACD解析(1)細線AO與BO之間的夾角適當大一點，不一定大于90°，A錯誤；當結點O位置確定時，彈簧測力計A的示數(shù)也確定，由于重物的重力已確定，兩力大小與方向均一定，因此彈簧測力計B的大小與方向也一定，所以不需要改變拉力多次實驗，B錯誤；細線應盡可能長一些，能更加準確的記錄力的方向，C正確；實驗通過做出三個力的圖示，來驗證“力的平行四邊形定則”，因此重物的重力必須要知道，D正確。(2)彈簧測力計讀數(shù)，每1N被分成10格，則1格就等于0.1N。題圖中指針落在3N到4N的第8格處，示數(shù)為3.80N。(3)F1與F2的合力的實際測量值等于下面懸掛重物的重力大小，方向與重力方向相反；而理論值是通過平行四邊形定則得到的值，所以F是F1和F2的合力的實際值，F(xiàn)′是F1和F2的合力的測量值，B錯誤，A、C正確；本實驗將細繩都換成橡皮條，同樣能達到實驗目的，D正確。1．(2021·湖北省高考模擬)在“驗證力的平行四邊形定則”的實驗中，某興趣小組使用傳統(tǒng)的木板、圖釘、白紙、橡皮條、細繩和彈簧測力計等工具，把木板平放在水平桌面上來做實驗。(1)下列不必要的實驗要求是________。A．彈簧測力計應在使用前校零B．拉繩方向應與木板平面平行C．為了更方便地驗證力的平行四邊形定則，最好使兩個力F1、F2間的夾角為90°D．改變拉力，進行多組實驗，每次都要使結點靜止在同一位置(2)下列實驗操作合理的是________。A．記錄結點的位置時，應該在結點正下方描一個清晰且盡量大的點B．記錄細繩方向時，應該在細繩正下方相距較遠的位置上點兩個較小的點C．為了方便操作和作圖，可將其中一個彈簧測力計中拉力的方向固定下來，改變另一個彈簧測力計的示數(shù)和拉力的方向D．為了減小實驗誤差，在不超出量程的情況下，應該使彈簧測力計的示數(shù)盡量大些(3)興趣小組在水平放置的木板上很快做完了實驗，想嘗試在傾斜木板上做實驗，______(填“能”或“不能”)有效驗證力的平行四邊形定則。答案(1)CD(2)BCD(3)能解析(1)根據儀器使用常識可知，彈簧測力計在使用前需校零，A項是必要的；實驗中力必須與木板平面平行，B項也是必要的；要驗證平行四邊形定則，夾角不應該選取特殊角度，C項不必要；在同一組實驗中，要使兩次拉力的作用效果相同，結點的位置必須相同，但在不是同一組實驗驗證時，結點的位置可以不同，所以不需要固定結點位置，D項不必要。(2)實驗中記錄描點時，點描得越小，帶來的實驗誤差會越小，故描點要盡量小且清晰，A項操作是不合理；兩個點相距較遠，有利于作圖時把力的方向作準確，B項操作是合理的；為了方便作圖，可將其中一個彈簧測力計中拉力的方向固定下來，改變另一個彈簧測力計的示數(shù)和拉力的方向，只要將結點拉至與一個彈簧測力計拉橡皮條時結點相同的位置即可，不影響實驗的有效性，故C項操作是合理的；為了減小實驗誤差，在不超出彈簧測力計量程的情況下，彈簧測力計的示數(shù)越大，讀數(shù)誤差越小，故D項是合理的。(3)無論在哪個平面做實驗，只要滿足在該平面內兩次力的作用效果相同，在操作無誤的情況下，即可驗證力的平行四邊形定則，因此在傾斜的木板上做實驗，也能夠有效驗證力的平行四邊形定則。2．(2021·江蘇昆山市八校適應性檢測)某同學做“驗證力的平行四邊形定則”的實驗情況如圖8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點，OB和OC為細繩，圖乙是在白紙上根據實驗結果畫出的圖：圖8(1)如果沒有操作失誤，圖乙中的F與F′兩力中，方向一定沿AO方向的是________；(2)本實驗采用的科學方法是________；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)實驗時，主要的步驟是：A．在桌上放一塊方木板，在方木板上鋪一張白紙，用圖釘把白紙釘在方木板上；B．用圖釘把橡皮條的一端固定在板上的A點，在橡皮條的另一端拴上兩條細繩，細繩的另一端系著繩套；C．用兩個彈簧測力計分別鉤住繩套，互成角度地拉橡皮條，使橡皮條伸長，結點到達某一位置O，記錄下O點的位置，讀出兩個彈簧測力計的示數(shù)；D．按選好的標度，用鉛筆和刻度尺作出兩只彈簧測力計的拉力F1和F2的圖示，并用平行四邊形定則求出合力F；E．只用一只彈簧測力計，通過細繩套拉橡皮條使其伸長，讀出彈簧測力計的示數(shù)，記下細繩的方向，按同一標度作出這個力F′的圖示；F．比較F′和F的大小和方向，看它們是否相同，得出結論。上述步驟中，①有重要遺漏的步驟的序號是________和________；②遺漏的內容分別是___________________