实验3　探究两个互成角度的力的合成规律-2025届高三一轮复习物理

实验3探究两个互成角度的力的合成规律对应学生用书P46考点一常规实验本实验操作注意一二三:1.一注意:同一次实验中结点O的位置必须在同一位置。2.二记录:用一个弹簧测力计拉橡皮条时,记录弹簧测力计示数和细绳方向。3.三记录:用两个弹簧测力计拉橡皮条时,记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置。角度1实验操作与数据处理(2023年全国乙卷)在验证“力的平行四边形定则”的实验中使用的器材有:木板、白纸、两个标准弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、刻度尺、铅笔、细线和图钉若干。完成实验步骤:①用图钉将白纸固定在水平木板上。②将橡皮条的一端固定在木板上,另一端系在轻质小圆环上。将两细线也系在小圆环上,它们的另一端均挂上测力计。用互成一定角度、方向平行木板、大小适当的两个力拉动两测力计,小圆环停止时由两测力计的示数得到两拉力F1和F2的大小,并(多选,填序号)。

A.用刻度尺量出橡皮条的长度B.用刻度尺量出两细线的长度C.用铅笔标出小圆环在白纸上的位置D.用铅笔在白纸上标出两细线的方向③撤去一个测力计,用一个测力计把小圆环拉到;由测力计的示数得到拉力F的大小,并沿细线标记F的方向。

④选择合适的标度,由步骤②的结果在白纸上根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合成图,得出合力F'的大小和方向;按同一标度在白纸上作出力F的图示。⑤比较F和F'的,从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则。

答案②CD③步骤②标记的小圆环同一位置⑤大小和方向在实验误差允许的范围内是否重合解析②两拉力F1和F2共同作用,产生的效果使橡皮条一端的小圆环到某一位置;用一个力F将小圆环拉到同一位置,说明两次达到的效果一样,故应记录小圆环在白纸上的位置,A项错误,C项正确;力是矢量,应记录两拉力F1和F2的大小与方向,与细线长度无关,B项错误,D项正确。③为了使产生的效果相同,应拉到步骤②标记的小圆环同一位置。⑤验证力的平行四边形定则应比较F和F'的大小和方向在实验误差允许的范围内是否重合。1.实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度盘,要按有效数字位数要求和弹簧测力计的精度正确读数和记录。2.作图时使用刻度尺,并借助三角板,一定要使表示两力的对边平行。角度2作图分析处理实验数据(2024届潍坊模考)某同学在家中做“验证力的平行四边形定则”实验。实验器材有橡皮筋、小铁块、轻弹簧、细线、直尺、废圆表盘。实验步骤如下:①在弹簧下挂小铁块,弹簧伸长6.0cm。②将表盘竖直固定,橡皮筋上端固定在表盘的“12”处,下端拴上两根细线套a、b,先用弹簧竖直向下拉线套a,使橡皮筋下端至表盘中心O点处,弹簧伸长了10.0cm。拉橡皮筋的力记为F。③再将小铁块挂在线套b上,并将其搭在表盘“4”处的光滑钉子上,用弹簧拉线套a,调整弹簧拉力的大小和方向,使橡皮筋下端到达O点时,线套a正好经过“7”处,此时弹簧伸长了8.2cm,将弹簧的拉力记为F1,铁块的拉力记为F2。④以F1、F2两力为邻边作出平行四边形,若其对角线对应的力F'与F的偏差在误差允许的范围内,则该同学验证了力的平行四边形定则。请回答下列问题:(1)实验中为什么第二次拉橡皮筋时也使其下端到达O点?。

(2)该同学取弹簧伸长2cm为单位力长度,过O点作出了力F的图示,请你在图中再画出F1、F2和F'力的图示。答案(1)保证两次拉橡皮筋的力效果相同(2)见解析图解析(1)为了保证两次拉橡皮筋的力效果相同,则第二次拉橡皮筋时也使其下端到达O点。(2)因铁块的拉力使弹簧伸长6cm,则对应的力F2为3个单位;弹簧伸长8.2cm时对应的力F1为4.1个单位,则受力图如图。考点二创新实验创新点创新解读实验原理的迁移利用三力平衡的结论,一个力与另外两个力的合力等大反向,验证这个力与另外两个力的关系实验器材的替换角度1实验器材的创新某实验小组用一只弹簧测力计和一个量角器等器材验证力的平行四边形定则,设计了如图所示的实验装置,固定在竖直木板上的量角器的直边水平,橡皮筋的一端固定在量角器的圆心O的正上方A处,另一端系上绳套1和绳套2。主要实验步骤如下:Ⅰ.弹簧测力计挂在绳套1上竖直向下拉橡皮筋,使橡皮筋与绳套的结点到达O处,记下弹簧测力计的示数F。Ⅱ.弹簧测力计挂在绳套1上,沿水平方向缓慢拉橡皮筋,同时用手拉着绳套2沿120°方向缓慢拉橡皮筋,使橡皮筋与绳套的结点到达O处,记下弹簧测力计的示数F1。Ⅲ.根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力大小F1'=①。

Ⅳ.比较②,若在误差允许的范围内相同,即可初步验证力的平行四边形定则。

Ⅴ.只改变绳套2的方向,重复上述实验步骤。回答下列问题:(1)完成实验步骤:①;②。

(2)将绳套1由0°方向缓慢转动到60°方向,同时绳套2由120°方向缓慢转动到180°方向,此过程中保持橡皮筋与绳套的结点在O处不动,保持绳套1和绳套2的夹角为120°不变。关于绳套1的拉力大小的变化情况,下列结论正确的是(填选项前的字母)。

A.逐渐增大 B.先增大后减小C.逐渐减小 D.先减小后增大答案(1)①3F3②F1和F1'(2解析(1)由力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1'=Ftan30°=33F,通过比较F1和F1',若在误差允许的范围内相同,(2)两个绳套在转动过程中,合力保持不变,根据平行四边形定则画出示意图,如图所示,由示意图可知,绳套1的拉力大小逐渐增大,A项正确。1.用量角器可直接测量两个分力的夹角,从而可用几何知识求出分力大小。2.由量角器上的刻度值可以保证两绳套方向改变时,两绳套间的夹角不变,这样根据平行四边形定则可以分析两个分力的变化情况。角度2实验过程创新(2024届宁波联考)小明与小刚同学做“探究求合力的方法”的实验。他们在竖直的墙上贴一张用来记录的白纸,用一根细线从杯带中穿过,并且打了一个结用来固定(结点记为O点),再将细线两端分别拴在两个弹簧测力计的挂钩上,在靠近白纸处对称地拉开细线(如图1所示),使两个弹簧测力计的示数相等,在白纸上记下细线的方向和弹簧测力计的示数,并在白纸上按一定标度作出两个弹簧测力计的弹力的图示(如图2所示)。(1)图1中弹簧测力计的示数为N。

(2)下列做法正确的是。

A.两弹簧测力计必须对称拉开B.拉线方向应与白纸平面平行C.只用一个弹簧测力计一定无法完成实验D.多次实验要保持O点位置不变(3)下列做法能减小实验误差的是。

A.两根细线必须等长B.弹簧测力计的示数不宜太小C.两条细线的夹角不宜太小也不宜太大D.在确定细线拉力方向时,所取的两个点尽可能远一些(4)图1所示两条细线的夹角是60°,若保持O点位置不变,使右边的弹簧测力计顺时针转动时,则该弹簧测力计的示数会。

A.逐渐减小B.逐渐增大C.先减小后增大 D.先增大后减小答案(1)3.00(2)B(3)BCD(4)C解析(1)由题图1知,弹簧测力计的最小分度值为0.1N,需要估读一位,所以读数为3.00N。(2)两弹簧测力计不一定要对称拉开,只要夹角大小合适就可以,A项错误;拉线方向应当与白纸所在的平面平行,否则会有误差,B项正确;只用一个弹簧测力计也可以完成实验,一端用弹簧测力计测,另一端用手固定,将结点拉到固定的O点,然后轮流交换测另一端,这样就可以确定两个方向的力,C项错误;在同一次实验测量中,O点要保持不变,多次实验时,可以改变O点的位置,D项错误。(3)两根细线是否等长不影响实验的测量,只要细线长度和两细线的夹角大小合适就可以,A项错误;弹簧测力计的示数不宜太小,也不宜太大,不能超过弹簧测力计的量程,大小适中就可以,B项正确;两条细线的夹角要适宜,不宜太小或太大,否则作图时误差较大,C项正确;在确定细线拉力方向时,所取的两个点尽可能远一些,可以使方向更准确一些,D项正确。(4)右边的弹簧测力计顺时针转动时,结点O处于动态平衡状态,根据图解法作图。由图可知,右边的弹簧测力计顺时针转动的过程中,弹力大小先减小后增大,C项正确。见《高效训练》P161.(2024届东莞质检)请完成“验证力的平行四边形定则”实验的相关内容。(1)如图1所示,在铺有白纸的水平木板上,橡皮条一端固定在A点,另一端拴两个细绳套。(2)如图2所示,用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮条,使绳与橡皮条的结点伸长到某位置并记为O点,记下此时弹簧测力计的示数F1、F2及。

(3)如图3所示,用一个弹簧测力计拉橡皮条,使绳与橡皮条的结点到达O点,记下此时弹簧测力计的示数F=N和细绳的方向。

(4)如图4所示,已按一定标度作出了F1、F2和F的图示,请用作图法作出F1和F2的合力。(5)合力与F大小相等,方向略有偏差,如果此偏差仅由F1引起,则原因可能是F1的大小比真实值偏,F1与F2的夹角比真实夹角偏。(均选填“大”或“小”)

答案(2)两细绳的方向(3)3.00(4)见解析图(5)大大解析(2)要记下两分力F1和F2的方向。(3)弹簧测力计的读数要估读一位,即F=3.00N。(4)由力的图示作出F1和F2的合力F',如图所示。(5)如图所示,将F1减小或减小F1与F2的夹角,合力F'与F更接近重合,则原因可能是F1的大小比真实值偏大,F1与F2的夹角比真实夹角偏大。2.(2024届衡水质检)某同学用一弹簧测力计和一橡皮条做验证平行四边形定则的实验,装置如图所示。实验步骤如下:①将贴有白纸的木板竖直固定,将橡皮条上端挂在木板上O点;②将三根细线Pa、Pb、Pc结于P点,a端系在橡皮条下端,c端暂时空置,b端挂一钩码,钩码静止后,记录钩码重力G的大小和方向;③以O为圆心,以OP为半径,画一圆弧;④用弹簧测力计钩住c端,向右上方缓慢拉,调整拉力方向,使结点P移到图中所示位置,记录该位置和弹簧测力计的示数;⑤在白纸上作出各力的图示,验证平行四边形定则是否成立。(1)第④步中还应记录的是。

(2)第⑤步中,若橡皮条拉力与弹簧测力计拉力的合力大小等于,方向,则可验证平行四边形定则。

答案(1)弹簧测力计拉力(细线Pc)的方向(2)G竖直向上解析(1)第④步中还应记录的是弹簧测力计拉力(即细线Pc)的方向,以便⑤中验证平行四边形定则。(2)第⑤步中,钩码的重力、橡皮条的拉力和弹簧测力计的拉力三力平衡,则橡皮条的拉力与弹簧测力计的拉力的合力大小等于钩码的重力G,方向与重力方向相反,即竖直向上。3.(2024届福州质检)某学生实验小组设计了一个“验证力的平行四边形定则”的实验,装置如图1所示,在竖直放置的木板上部附近两侧,固定两个力传感器,同一高度放置两个可以移动的定滑轮,两根细绳跨过定滑轮分别与两力传感器连接,在两细绳连接的结点O下方悬挂钩码,力传感器1、2的示数分别为F1、F2,调节两个定滑轮的位置可以改变两细绳间的夹角。实验中使用若干相同的钩码,每个钩码质量均为100g,取g=9.8m/s2。(1)关于实验,下列说法正确的是()。A.实验开始前,需要调节木板使其位于竖直平面内B.每次实验都必须保证结点位于O点C.实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向D.实验时还需要用一个力传感器单独测量悬挂于O点钩码的总重力(2)根据某次实验得到的数据,该同学已经按照力的图示的要求画出了F1、F2(如图2),请你作出F1、F2的合力F(只作图,不求大小),并分析该合力不完全竖直的一种可能原因是:。

答案(1)AC(2)见解析图定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等解析(1)实验开始前,需要调节木板使其位于竖直平面内,以保证钩码重力大小等于细线的拉力,A项正确;该装置不需要每次实验保证结点位于O点,B项错误;实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向,C项正确;因为每个钩码的重力已知,所以不需要测钩码总重力,D项错误。(2)利用平行四边形定则作出F1和F2的合力F,如图所示,该合力方向不完全在竖直方向的可能原因是定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等。4.(2024届榆林三模)某实验小组用如图所示的器材验证“力的平行四边形定则”。在水平的圆形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。步骤如下:A.在三根轻绳的一端挂上一定数量的钩码,调整滑轮P2、P3的位置并使结点O静止;B.在白纸上描下O点的位置和三根绳子的方向,以O点为起点,用同一标度作出三个拉力的图示;C.以绕过滑轮P2、P3绳的两个力为邻边作平行四边形,作出以O点为起点的平行四边形的对角线,量出对角线的长度;D.检验对角线的长度和绕过滑轮P1的绳的拉力的图示的长度是否一样,方向是否在一条直线上。(1)第一次实验中,若一根绳上挂的钩码的质量为m,另一根绳上挂的钩码的质量为2m,则第三根绳上所挂的钩码的质量M应满足关系:。

(2)第二次实验时,改变滑轮P2、P3的位置和相应绳上钩码的数量,使结点平衡,绳的结点(选填“必须”或“不必”)与第一次实验中白纸上描下的O点重合。实验中,若桌面倾斜,(选填“会”或“不会