高考物理系统性复习 (考点分析) 第五节 实验：探究力的合成规律（附解析）

【考点分析】第五节实验：探究力的合成规律【考点一】对实验原理和操作的考查【典型例题1】(2021·江西月考)某同学用如图甲所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”。弹簧测力计A挂于固定点P，下端用细线挂一重物M，弹簧测力计B的一端用细线系于O点，手持另一端向左拉，使结点O静止在某位置。分别读出弹簧测力计A和B的示数，井在贴于竖直木板的白纸上记录O点的位置和拉线的方向。(1)下列的实验要求中不必要是______A．细线AO与BO之间的夹角应尽可能大于B．改变拉力的大小与方向，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置C．细线应尽可能长一些D．应测量重物M所受的重力(2)图乙的示数为______N；(3)图丙是在白纸上根据实验结果画出的力的图示，下列说法正确的是_______。A．图中的是力和合力的理论值B．图中的F是力和合力的理论值C．F是力和合力的实际测量值D．本实验将细绳都换成橡皮条，同样能达到实验目的【解析】(1)[1]A．细线AO与BO之间的夹角适当大一点，不一定需要大于90°，A错误；B．当结点O位置确定时，弹簧测力计A的示数也确定，由于重物的重力已确定，两力大小与方向均一定，因此弹簧测力计B的大小与方向也一定，所以不需要改变拉力多次实验，B错误。C．细线应尽可能长一些，能更加准确的记录力的方向，C正确；D．实验通过做出三个力的图示，来验证“力的平行四边形定则”，因此重物的重力必须要知道，D正确。故选AB。(2)[2]弹簧测力计读数，每1N被分成10格，则1格就等于0.1N．图指针落在3N到4N的第8格处，所以3.80

N。(3)[3]ABC．F1与F2的合力的实际值测量值等于下面悬挂重物的重力大小，方向与重力方向相反；而理论值是通过平行四边形定则得到的值。所以F是F1和F2的合力的实际值，F′是F1和F2的合力的测量值，B错误，AC正确；D．本实验将细绳都换成橡皮条，同样能达到实验目的，D正确。故选ACD。【答案】AB3.80ACD【归纳总结】1．相关原理：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一位置，所以力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的图示．再根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示，比较F和F′的大小和方向是否相同，若相同，则说明互成角度的两个力合成时遵循平行四边形定则．2．注意事项(1)同一实验中的两只弹簧测力计的选取方法是：将两只弹簧测力计调零后互钩对拉，读数相同．(2)在同一次实验中，使橡皮条拉长时，结点O位置一定要相同．(3)用两只弹簧测力计钩住绳套互成角度地拉橡皮条时，夹角不宜太大也不宜太小，在60°～100°之间为宜．(4)实验时弹簧测力计应与木板平行，读数时眼睛要正视弹簧测力计的刻度，在合力不超过量程及橡皮条弹性限度的前提下，拉力的数值尽量大些．(5)细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．不要直接沿细绳套的方向画直线，应在细绳套末端用铅笔画一个点，去掉细绳套后，再将所标点与O点连接，即可确定力的方向．(6)在同一次实验中，画力的图示所选定的标度要相同，并且要恰当选取标度，使所作力的图示稍大一些．【考点二】对实验数据处理和误差分析的考查【典型例题2】(2021·河北专题练习)为验证力的平行四边形定则，某同学准备了以下器材：支架，弹簧，直尺，量角器坐标纸，细线，定滑轮(位置可调)两个，钩码若干。支架带有游标尺和主尺，游标尺(带可滑动的指针)固定在底座上，主尺可升降，如图1所示。实验步骤如下：(1)仪器调零。如图1，将已测量好的劲度系数k为5.00N/m的弹簧悬挂在支架上，在弹箦挂钩上用细线悬挂小钩码做为铅垂线，调节支架竖直。调整主尺高度，使主尺与游标尺的零刻度对齐。滑动指针，对齐挂钩上的O点，固定指针。(2)搭建的实验装置示意图如图2.钩码组mA=40g，钩码组mB=30g，调整定滑轮位置和支架的主尺高度，使弹簧竖直且让挂钩上O点重新对准指针。实验中保持定滑轮、弹簧和铅垂线共面。此时测得=36.9°，=53.1°，由图3可读出游标卡尺示数为___________cm，由此计算出弹簧拉力的增加量F=___________N。当地重力加速度g为9.80m/s2。(3)请将第(2)步中的实验数据用力的图示的方法在图框中做出，用平行四边形定则做出合力F′________。(4)依次改变两钩码质量，重复以上步骤，比较F′和F的大小和方向，得出结论。实验中铅垂线上小钩码的重力对实验结果___________(填写“有”或“无”)影响。【解析】(2)[1]游标卡尺精度为，读数为[2]则弹簧拉力的增量为。(3)[3]根据题意可知绳产生的拉力为，绳产生的拉力为，力的合成如图(4)[4]在求解合力的过程中，求解的是弹簧弹力的变化量，所以小钩码的重力对实验结果无影响。【答案】9.780.489无【归纳总结】1．数据处理(1)用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺和三角板作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合力F的图示．(2)用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出实验步骤4中弹簧测力计的拉力F′的图示．(3)比较F与F′是否完全重合或几乎完全重合，从而验证平行四边形定则．2．误差分析(1)弹簧测力计本身的误差．(2)读数误差和作图误差．(3)两分力F1、F2间的夹角θ越大，用平行四边形定则作图得出的合力F的误差ΔF也越大．【考点三】含有传感器等替代弹簧的实验研究【典型例题3】一同学用电子秤、水壶、细线、墙钉和贴在墙上的白纸等物品，在家中验证力的平行四边形定则。甲乙丙(1)如图甲，在电子秤的下端悬挂一装满水的水壶，记下水壶________时电子秤的示数F。(2)如图乙，将三细线L1、L2、L3的一端打结，另一端分别拴在电子秤的挂钩、墙钉A和水壶带上。水平拉开细线L1，在白纸上记下结点O的位置、____________和电子秤的示数F1。(3)如图丙，将另一颗墙钉B钉在与O同一水平线上，并将L1拴在其上。手握电子秤沿着(2)中L2的方向拉开细线L2，使________和三根细线的方向与(2)中重合，记录电子秤的示数F2。(4)在白纸上按一定标度作出电子秤拉力F、F1、F2的图示，根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F′的图示，若________，则平行四边形定则得到验证。【解析】(1)要测量装满水的水壶的重力，需记下水壶静止时电子秤的示数F。(2)要画出平行四边形，则需要记录分力的大小和方向，所以在白纸上记下结点O的位置的同时，也要记录三细线的方向以及电子秤的示数F1。(3)已经记录了一个分力的大小，还要记录另一个分力的大小，则结点O位置不能变化，力的方向也不能变化，所以应使结点O的位置和三根细线的方向与(2)中重合，记录电子秤的示数F2。(4)根据平行四边形定则作出F1、F2的合力F′的图示，若F和F′在误差允许的范围内重合，则平行四边形定则得到验证。【答案】(1)静止(2)三细线的方向(3)结点O的位置(4)F和F′在误差允许的范围内重合【归纳总结】(1)用橡皮筋eq\o(→,\s\up7(替代))弹簧秤：三个相同的橡皮筋，可将三个橡皮筋系于一点，互成角度地将它们拉长，记下各自的拉力方向，伸长后的长度，并测出原长，根据伸长量确定三个拉力的大小关系，再结合力的图示作图验证平行四边形定则．(2)使用力传感器：用力传感器确定各力的大小，同时确定细绳中拉力的方向，再结合力的图示作图验证平行四边形定则．(3)钩码eq\o(→,\s\up7(替代))弹簧秤．【考点四】力的平行四边形定则的创新实验【典型例题4】(2021·河北省邯郸市)某同学利用如图所示的器材验证“力的平行四边形定则”：在倾斜桌面上平铺一张白纸，在桌子边缘安装三个光滑的滑轮，其中，滑轮P1固定在桌子边，滑轮P2、P3可沿桌边移动。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FT1、FT2和FT3，回答下列问题：(1)在实验中，若一根绳子挂的钩码质量为m，另一根绳子挂的钩码质量为2m，则第三根绳子所挂的钩码质量M应满足关系：_________。(2)在拆下钩码和绳子前，最必要的一个步骤是_______。A．标记结点O的位置，并记录三段绳子的方向B．量出三段绳子的长度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)若改变桌面的倾斜角度，_______(填“会”或