實(shí)驗(yàn)三　探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律

3/4實(shí)驗(yàn)三探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律考情調(diào)研命題特征本實(shí)驗(yàn)屬于探究性物理實(shí)驗(yàn)，近年高考中2017全國Ⅲ卷，2018年天津卷，2023全國乙卷中出現(xiàn)過。高考卷該實(shí)驗(yàn)命題都是緊緊圍繞常規(guī)實(shí)驗(yàn)的操作與數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行考查。該實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)基本技能及思維方法是高中物理實(shí)驗(yàn)中最重要的技能與方法1.考讀數(shù)：彈簧測力計(jì)的讀數(shù)（最小刻度是0.2N和最小刻度是0.1N的有效數(shù)字問題）。2.考操作：是否需要保持結(jié)點(diǎn)的位置不變。3.考畫圖：根據(jù)測量數(shù)據(jù)畫力的圖示。4.考含義：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和力的圖示能辨別出實(shí)驗(yàn)值與理論值某研究小組做“探究兩個互成角度的力的合成規(guī)律”實(shí)驗(yàn)?！緦?shí)驗(yàn)原理】（1）求兩個力的合力時，如果以表示這兩個力的有向線段為鄰邊作平行四邊形，這兩個鄰邊之間的就代表合力的大小和方向。本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是?！緦?shí)驗(yàn)步驟】（2）小金進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)步驟：①用兩個相同的彈簧測力計(jì)互成角度拉細(xì)繩套，使橡皮條伸長，結(jié)點(diǎn)到達(dá)紙面上某一位置，記為O1，如圖甲所示，并記錄兩個彈簧測力計(jì)的拉力F1和F2的大小和方向；②只用一個彈簧測力計(jì)，將結(jié)點(diǎn)仍拉到位置O1，記錄彈簧測力計(jì)的拉力F3的大小和方向；③按照力的圖示要求，作出拉力F1、F2、F3，比較F1、F2、F3的大小和方向，猜想三者間關(guān)系；④根據(jù)力的平行四邊形定則作出F1和F2的合力F；⑤比較F3和F的一致程度，驗(yàn)證猜想。【注意事項(xiàng)】（3）用兩個彈簧測力計(jì)拉橡皮條時，下列說法正確的是。A.系在橡皮條末端的兩細(xì)繩要一樣長B.應(yīng)使橡皮條與兩細(xì)繩夾角的角平分線在同一直線上C.兩細(xì)繩的方向應(yīng)與紙面平行D.為了便于計(jì)算合力大小，兩繩間夾角應(yīng)取30°、45°、90°等特殊角度【數(shù)據(jù)處理】（4）實(shí)驗(yàn)記錄紙如圖乙所示，兩彈簧測力計(jì)共同作用時，拉力F1和F2的方向分別過P1和P2點(diǎn)；兩個力的大小分別為F1＝3.00N、F2＝3.50N，請根據(jù)圖中給出標(biāo)度作出F1和F2的合力F。（5）進(jìn)行步驟①時，結(jié)點(diǎn)位置不變且保持F1方向不變，改變F2的大小和方向，則F2最小時其方向?yàn)?。聽課記錄1.實(shí)驗(yàn)結(jié)論多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)和F3大致重合，說明兩個力合成時，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。2.實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)過程中在使用彈簧測力計(jì)的時候，要注意使彈簧測力計(jì)與方木板平面平行。（2）選用的橡皮條應(yīng)富有彈性，能發(fā)生彈性形變，同一次實(shí)驗(yàn)中，橡皮條拉長后，小圓環(huán)的位置必須保持不變。（3）在滿足合力不超過彈簧測力計(jì)的量程及橡皮條形變不超過彈性限度的條件下，應(yīng)該使拉力盡量大一些，以減小實(shí)驗(yàn)中的誤差。（4）畫力的圖示時，應(yīng)選定恰當(dāng)?shù)膯挝婚L度作為標(biāo)度；作力的合成圖時，應(yīng)盡量將圖畫得大一些，但也不要畫得太大而畫出紙外，要嚴(yán)格按力的圖示要求和幾何作圖法作出合力。（5）由作圖法得到的F和實(shí)際測量得到的F3只要在誤差允許的范圍內(nèi)相同即可。1.（2023·全國乙卷22題）在“驗(yàn)證力的平行四邊形定則”的實(shí)驗(yàn)中使用的器材有：木板、白紙、兩個標(biāo)準(zhǔn)彈簧測力計(jì)、橡皮條、輕質(zhì)小圓環(huán)、刻度尺、鉛筆、細(xì)線和圖釘若干。完成下列實(shí)驗(yàn)步驟：（1）用圖釘將白紙固定在水平木板上。（2）將橡皮條的一端固定在木板上，另一端系在輕質(zhì)小圓環(huán)上。將兩細(xì)線也系在小圓環(huán)上，它們的另一端均掛上測力計(jì)。用互成一定角度、方向平行于木板、大小適當(dāng)?shù)牧瓌觾蓚€測力計(jì)，小圓環(huán)停止時由兩個測力計(jì)的示數(shù)得到兩拉力F1和F2的大小，并。（多選，填正確答案標(biāo)號）A.用刻度尺量出橡皮條的長度 B.用刻度尺量出兩細(xì)線的長度C.用鉛筆在白紙上標(biāo)記出小圓環(huán)的位置 D.用鉛筆在白紙上標(biāo)記出兩細(xì)線的方向（3）撤掉一個測力計(jì)，用另一個測力計(jì)把小圓環(huán)拉到，由測力計(jì)的示數(shù)得到拉力F的大小，沿細(xì)線標(biāo)記此時F的方向。（4）選擇合適標(biāo)度，由步驟（2）的結(jié)果在白紙上根據(jù)力的平行四邊形定則作F1和F2的合成圖，得出合力F'的大小和方向；按同一標(biāo)度在白紙上畫出力F的圖示。（5）比較F'和F的，從而判斷本次實(shí)驗(yàn)是否驗(yàn)證了力的平行四邊形定則。

2.（2024·海南?？谝荒＃﹫D甲、乙、丙、丁為“探究求合力的方法”的實(shí)驗(yàn)過程。（1）如圖甲所示，橡皮條的一端固定，另一端系一輕質(zhì)小圓環(huán)。在圖乙中，用兩個彈簧測力計(jì)通過輕繩共同拉動小圓環(huán)，小圓環(huán)受到拉力F1、F2、F3的共同作用，靜止于O點(diǎn)。改用一個彈簧測力計(jì)單獨(dú)拉住小圓環(huán)，彈簧測力計(jì)拉力為F，使小圓環(huán)仍靜止于O點(diǎn)，如圖丙所示。則F1與F2的合力與相等，F(xiàn)1、F2與的合力為0。（均選填“F”或“F3”）（2）在圖乙中，用A、B兩只彈簧測力計(jì)把小圓環(huán)拉到O點(diǎn)，這時AO、BO間夾角∠AOB＜90°，如圖丁所示?，F(xiàn)改變彈簧測力計(jì)A的拉力方向，使α角減小，但不改變它的拉力大小，那么要使小圓環(huán)仍被拉到O點(diǎn)，需調(diào)節(jié)彈簧測力計(jì)B拉力的大小及β角，在下列調(diào)整方法中，可能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法是。A.增大B的拉力和β角 B.增大B的拉力，β角不變C.增大B的拉力，同時減小β角 D.B的拉力大小不變，增大β角【典例】某實(shí)驗(yàn)小組用一個彈簧測力計(jì)和一個量角器等器材驗(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，橡皮筋的一端固定在量角器的圓心O的正上方A處，另一端系上繩套1和繩套2。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：Ⅰ.彈簧測力計(jì)掛在繩套1上豎直向下拉橡皮筋，使橡皮筋與繩套的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)F；Ⅱ.彈簧測力計(jì)掛在繩套1上，沿水平方向緩慢拉橡皮筋，同時用手拉著繩套2沿120°方向緩慢拉橡皮筋。使橡皮筋與繩套的結(jié)點(diǎn)到達(dá)O處，記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)F1；Ⅲ.根據(jù)力的平行四邊形定則計(jì)算繩套1的拉力大小F1'＝①；Ⅳ.比較②，若在誤差允許的范圍內(nèi)相同，即可初步驗(yàn)證力的平行四邊形定則；Ⅴ.只改變繩套2的方向，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟?；卮鹣铝袉栴}：（1）完成實(shí)驗(yàn)步驟：①；②。（2）將繩套1由0°方向緩慢轉(zhuǎn)動到60°方向，同時繩套2由120°方向緩慢轉(zhuǎn)動到180°方向，此過程中保持橡皮筋與繩套的結(jié)點(diǎn)在O處不動，保持繩套1和繩套2的夾角120°不變。關(guān)于繩套1的拉力大小的變化，下列結(jié)論正確的是（填選項(xiàng)前的字母）。A.逐漸增大 B.先增大后減小C.逐漸減小 D.先減小后增大三步穩(wěn)解題（1）分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證力的平行四邊形定則，分析兩力的大小隨方向變化而變化的規(guī)律。（2）確定實(shí)驗(yàn)原理：由量角器能測量兩分力與合力間的夾角大小，可由一個力利用幾何關(guān)系求出另一個分力，比較理論值與實(shí)際值的大小，從而驗(yàn)證力的平行四邊形定則。（3）制定數(shù)據(jù)處理方案：將結(jié)點(diǎn)拉到O點(diǎn)，使繩套1沿水平方向，繩套2與繩套1夾角為120°，則根據(jù)力的平行四邊形定則計(jì)算繩套1的拉力大小F1'＝Ftan30°。比較F1'與F1的大小及方向關(guān)系。聽課記錄（2024·福建漳州模擬）某實(shí)驗(yàn)小組要測量一鐵塊的重力。由于鐵塊的重力超過了刻度不清的彈簧測力計(jì)量程，為不損壞彈簧測力計(jì)，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)，可提供選擇器材有：一刻度不清的彈簧測力計(jì)、細(xì)線、鐵塊、白紙、刻度尺、鉤碼、定滑輪。已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間、鉤碼質(zhì)量為m0。該小組利用上述實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：（1）用彈簧測力計(jì)豎直掛著鉤碼，如圖甲所示，用刻度尺測出鉤碼靜止時彈簧測力計(jì)中彈簧的伸長量，即指針移動的長度x1，計(jì)算出彈簧的勁度系數(shù)k＝（用m0、g、x1表示）。（2）用彈簧測力計(jì)與細(xì)線互成角度吊起鐵塊，如圖乙所示，靜止時測出彈簧測力計(jì)中彈簧的伸長量x2，可得此時彈簧測力計(jì)的彈力FB＝kx