实验三　探究两个互成角度的力的合成规律

3/4实验三探究两个互成角度的力的合成规律考情调研命题特征本实验属于探究性物理实验，近年高考中2017全国Ⅲ卷，2018年天津卷，2023全国乙卷中出现过。高考卷该实验命题都是紧紧围绕常规实验的操作与数据处理方法进行考查。该实验要求的实验基本技能及思维方法是高中物理实验中最重要的技能与方法1.考读数：弹簧测力计的读数（最小刻度是0.2N和最小刻度是0.1N的有效数字问题）。2.考操作：是否需要保持结点的位置不变。3.考画图：根据测量数据画力的图示。4.考含义：根据实验数据和力的图示能辨别出实验值与理论值某研究小组做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验。【实验原理】（1）求两个力的合力时，如果以表示这两个力的有向线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的就代表合力的大小和方向。本实验采用的科学方法是。【实验步骤】（2）小金进行了如下实验步骤：①用两个相同的弹簧测力计互成角度拉细绳套，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，记为O1，如图甲所示，并记录两个弹簧测力计的拉力F1和F2的大小和方向；②只用一个弹簧测力计，将结点仍拉到位置O1，记录弹簧测力计的拉力F3的大小和方向；③按照力的图示要求，作出拉力F1、F2、F3，比较F1、F2、F3的大小和方向，猜想三者间关系；④根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F；⑤比较F3和F的一致程度，验证猜想。【注意事项】（3）用两个弹簧测力计拉橡皮条时，下列说法正确的是。A.系在橡皮条末端的两细绳要一样长B.应使橡皮条与两细绳夹角的角平分线在同一直线上C.两细绳的方向应与纸面平行D.为了便于计算合力大小，两绳间夹角应取30°、45°、90°等特殊角度【数据处理】（4）实验记录纸如图乙所示，两弹簧测力计共同作用时，拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点；两个力的大小分别为F1＝3.00N、F2＝3.50N，请根据图中给出标度作出F1和F2的合力F。（5）进行步骤①时，结点位置不变且保持F1方向不变，改变F2的大小和方向，则F2最小时其方向为。听课记录1.实验结论多次实验发现，F和F3大致重合，说明两个力合成时，以表示这两个力的有向线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的对角线就代表合力的大小和方向，这个规律叫作平行四边形定则。2.实验操作注意事项（1）实验过程中在使用弹簧测力计的时候，要注意使弹簧测力计与方木板平面平行。（2）选用的橡皮条应富有弹性，能发生弹性形变，同一次实验中，橡皮条拉长后，小圆环的位置必须保持不变。（3）在满足合力不超过弹簧测力计的量程及橡皮条形变不超过弹性限度的条件下，应该使拉力尽量大一些，以减小实验中的误差。（4）画力的图示时，应选定恰当的单位长度作为标度；作力的合成图时，应尽量将图画得大一些，但也不要画得太大而画出纸外，要严格按力的图示要求和几何作图法作出合力。（5）由作图法得到的F和实际测量得到的F3只要在误差允许的范围内相同即可。1.（2023·全国乙卷22题）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。完成下列实验步骤：（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、方向平行于木板、大小适当的力拉动两个测力计，小圆环停止时由两个测力计的示数得到两拉力F1和F2的大小，并。（多选，填正确答案标号）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.用铅笔在白纸上标记出小圆环的位置 D.用铅笔在白纸上标记出两细线的方向（3）撤掉一个测力计，用另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，沿细线标记此时F的方向。（4）选择合适标度，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画出力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。

2.（2024·海南海口一模）图甲、乙、丙、丁为“探究求合力的方法”的实验过程。（1）如图甲所示，橡皮条的一端固定，另一端系一轻质小圆环。在图乙中，用两个弹簧测力计通过轻绳共同拉动小圆环，小圆环受到拉力F1、F2、F3的共同作用，静止于O点。改用一个弹簧测力计单独拉住小圆环，弹簧测力计拉力为F，使小圆环仍静止于O点，如图丙所示。则F1与F2的合力与相等，F1、F2与的合力为0。（均选填“F”或“F3”）（2）在图乙中，用A、B两只弹簧测力计把小圆环拉到O点，这时AO、BO间夹角∠AOB＜90°，如图丁所示。现改变弹簧测力计A的拉力方向，使α角减小，但不改变它的拉力大小，那么要使小圆环仍被拉到O点，需调节弹簧测力计B拉力的大小及β角，在下列调整方法中，可能实现目标的方法是。A.增大B的拉力和β角 B.增大B的拉力，β角不变C.增大B的拉力，同时减小β角 D.B的拉力大小不变，增大β角【典例】某实验小组用一个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120°不变。关于绳套1的拉力大小的变化，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.先减小后增大三步稳解题（1）分析实验目的：验证力的平行四边形定则，分析两力的大小随方向变化而变化的规律。（2）确定实验原理：由量角器能测量两分力与合力间的夹角大小，可由一个力利用几何关系求出另一个分力，比较理论值与实际值的大小，从而验证力的平行四边形定则。（3）制定数据处理方案：将结点拉到O点，使绳套1沿水平方向，绳套2与绳套1夹角为120°，则根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力大小F1'＝Ftan30°。比较F1'与F1的大小及方向关系。听课记录（2024·福建漳州模拟）某实验小组要测量一铁块的重力。由于铁块的重力超过了刻度不清的弹簧测力计量程，为不损坏弹簧测力计，设计如下实验，可提供选择器材有：一刻度不清的弹簧测力计、细线、铁块、白纸、刻度尺、钩码、定滑轮。已知当地重力加速度为g、钩码质量为m0。该小组利用上述实验器材进行实验：（1）用弹簧测力计竖直挂着钩码，如图甲所示，用刻度尺测出钩码静止时弹簧测力计中弹簧的伸长量，即指针移动的长度x1，计算出弹簧的劲度系数k＝（用m0、g、x1表示）。（2）用弹簧测力计与细线互成角度吊起铁块，如图乙所示，静止时测出弹簧测力计中弹簧的伸长量x2，可得此时弹簧测力计的弹力FB＝kx