实验3 验证平行四边形定则（原卷版）（高考实验）-【实验攻略】2025年高考物理必考实验重难点突破

PAGE2PAGE实验3验证平行四边形定则目录01新高考命题热点02核心考点综述1）实验目的2）实验原理3）实验器材4）实验操作5）数据处理6）误差分析7）注意事项8）核心考点03典型真题精练04创新实验新考法1）理解平行四边形定则2）实验设计与操作3）数据处理与分析4）等效替代思想的理解5）实验技能的培养05分层强化训练“验证平行四边形定则”这一经典实验涌现诸多命题热点。实验原理深度剖析是关键，要求学生透彻理解力的合成遵循平行四边形法则，不仅能背诵公式，更能结合矢量三角形、三角函数等知识，灵活推导合力与分力关系，应对复杂情境下的理论考查。实验操作细节常考不衰，如弹簧测力计的正确使用，从调零、读数方法到如何避免弹簧与外壳摩擦，任何疏忽都可能造成误差，以此检验学生实操规范性。从数据处理层面，给定多组实验数据，让学生绘制力的图示、构建平行四边形找合力，并与实际测量合力对比，分析误差，强化学生数形结合及误差分析能力。同时，结合现代科技手段，如利用传感器测量力，与传统实验对比优劣，使学生紧跟时代步伐，拓展物理思维视野。一、实验目的验证平行四边形定则：通过实验验证两个互成角度的共点力合成的平行四边形定则，即两个力可以合成为一个力，且这个合力的大小和方向由这两个力按平行四边形法则确定。培养实验能力：培养学生应用作图法处理实验数据和得出结论的能力，以及理解等效替代思想在实验中的应用。二、实验原理等效替代法：一个力的作用效果和两个力的作用效果相同，通过使橡皮条伸长到同一点来实现等效，即用一个力替代两个互成角度的力的合力，若按平行四边形定则作出的合力与实际测量的合力在误差允许范围内相等，则验证了该定则。平行四边形定则：明确互成角度的两个力合成时，以这两个力为邻边作平行四边形，其对角线就表示合力的大小和方向。三、实验器材方木板、白纸、弹簧测力计（两个）、三角板、刻度尺、图钉（若干）、细芯铅笔、橡皮条、细绳套（两个）四、实验操作1、准备阶段：（1）用图钉把白纸钉在平放于水平桌面的方木板上。（2）用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套。2.两力合成阶段：（1）用两个弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，将结点拉到某一位置O。（2）记录两个弹簧测力计的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两条细绳套的方向。（3）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个弹簧测力计的读数F1、F2的图示。（4）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，即为合力F的图示。3.等效替代阶段：（1）只用一个弹簧测力计钩住细绳套，把橡皮条的结点拉到同样的位置O。（2）记下弹簧测力计的读数F'和细绳的方向，用刻度尺从O点按选定的标度沿记录的方向作出这个弹簧测力计的拉力F'的图示。4.比较与验证阶段：比较力F'与用平行四边形定则求出的合力F的大小和方向。改变两个力F1、F2的大小和夹角，重复实验两次，以验证结果的普遍性。五、数据处理力的图示：用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳方向画直线，按选定的标度作出两只弹簧测力计的拉力F₁和F₂的图示，并以F₁和F₂为邻边作平行四边形，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；再用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出拉力F'的图示。结果比较：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。六、误差分析系统误差：主要来源于弹簧测力计本身的误差，如弹簧测力计的精度、指针的零点不准等。可选择较精确的弹簧测力计来减小系统误差。偶然误差：包括读数误差和作图误差等。读数时要尽量保证在弹簧测力计数据允许的条件下，使读数大一些，并且眼睛要正视刻度；作图时要严格使用作图工具，确保两分力夹角合适，一般在60°～120°之间为宜，且两力的对边一定要平行。七、注意事项1.在使用前要先校准零点，再用标准钩码检查是否准确。2.选择两个规格相同的弹簧测力计，确保读数准确。3.使用时弹簧测力计应与木板平行，以确保测量准确。4.在满足合力不超过弹簧测力计量程及橡皮条形变不超过弹性限度的条件下，应使拉力尽量大一些，以减小误差。5.拉橡皮条的细线要长些，标记两条细线方向的两点要尽可能远些，以提高作图精度。6.两个分力间的夹角不宜过大或过小，一般取60°~120°为宜，以减小作图误差。7.在实验过程中，要确保橡皮条拉长时结点到达的位置一定要相同，以保证等效替代的准确性。8.作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行，以提高作图精度。八、核心考点理解平行四边形定则：掌握平行四边形定则的概念和原理，能够正确应用平行四边形定则求解两个互成角度的共点力的合力。掌握实验方法：熟悉验证力的平行四边形定则的实验步骤和注意事项，能够独立完成实验并准确记录实验数据。培养实验能力：通过实验培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力，以及理解等效替代思想在实验中的应用。误差分析：了解实验误差的来源和减小误差的方法，能够对实验结果进行误差分析并得出可靠的结论。【例1】（2024·海南·高考真题）为验证两个互成角度的力的合成规律，某组同学用两个弹簧测力计、橡皮条、轻质小圆环、木板、刻度尺、白纸、铅笔、细线和图钉等器材，按照如下实验步骤完成实验：（Ⅰ）用图钉将白纸固定在水平木板上；（Ⅱ）如图（d）（e）所示，橡皮条的一端固定在木板上的G点，另一端连接轻质小圆环，将两细线系在小圆环上，细线另一端系在弹簧测力计上，用两个弹簧测力计共同拉动小圆环到某位置，并标记圆环的圆心位置为O点，拉力F1和F2的方向分别过P1和P2点，大小分别为F1=3.60N、F2=2.90N；拉力F1和F2，改用一个弹簧测力计拉动小圆环，使其圆心到O点，在拉力F的方向上标记P3点，拉力的大小为F=5.60N请完成下列问题：(1)在图（e）中按照给定的标度画出F1、F2和F的图示，然后按平行四边形定则画出F1、F2的合力F′。(2)比较F和F′，写出可能产生误差的两点原因【例2】（2023·全国·高考真题）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和的大小，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的大小，沿细线标记此时的方向。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和的合成图，得出合力的大小和方向；按同一标度在白纸上画出力的图示。⑤比较和的，从而判断本次实验是否验证了力的平行四边形定则。【变式1】理解平行四边形定则1．（24-25高一上·海南·阶段练习）某实验小组用铁架台、木板、一根弹簧和两个相同的弹簧测力计等器材验证“力的平行四边形定则”，实验的主要过程如下：①将弹簧一端固定在铁架台上，在弹簧的下端悬挂两个绳套；在木板上固定一张白纸，放置在弹簧的后方；②两位同学合作，先同时通过绳套用两个弹簧测力计将弹簧的下端拉到某一点O，如图1所示，在白纸上记录O点的位置和和的大小及方向；再用一个弹簧测力计，将弹簧的下端点拉到同一位置O，记录的大小和方向；③取下白纸，过O点，按统一标度作出力、和的图示如图2所示；④以、这两个力为邻边作出平行四边形，其对角线为如图2所示的F。(1)下列说法正确的是（）A．两细绳套之间的夹角最好为90°B．弹簧测力计拉弹簧时，拉力方向必须与木板平行C．拉弹簧的细绳套要适当长一些，标记拉力方向的点要离O点远一些D．进行多次操作时每次都应使结点拉到O点(2)图2中，、合力的理论值是，实际测量值是（均选填“”或“F”）。(3)实验中的一次测量如图3所示，测力计M、N的拉力方向互相垂直（）。现逆时针旋转两测力计（旋转角），保持两测力计的夹角不变，若弹簧的下端仍在O点，则弹簧测力计M、N示数的变化情况是（）A．M、N的示数均减小 B．M的示数增大，N的示数减小C．M、N的示数均增大 D．M的示数减小，N的示数增大【变式2】实验设计与操作2．（24-25高一上·湖北武汉·阶段练习）小强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”，其中AO为橡皮绳，OB和OC为细绳，A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点。主要分为以下两步：步骤1：用两个弹簧秤将橡皮筋的一端拉至O点，测出两个拉力F1和F2；步骤2：用一个弹簧秤将橡皮筋拉至O点，测出其拉力F。(1)本实验采用的科学方法是______（单选）A．理想实验法 B．控制变量法 C．等效替代法 D．建立物理模型法(2)图中BOC为锐角，使OC绳拉力F2大小不变、方向沿顺时针转过一较小角度，为了使结点位置不变，则OB绳上拉力F1的大小和方向应如何变化______（双选）A．一定沿顺时针转动 B．一定沿逆时针转动C．一定变小 D．一定变大(3)在该实验中，采取哪些方法和步骤可减小实验误差______（双选）A．两个分力F1、F2的大小要适当大些B．两个分力F1、F2间的夹角尽量小些C．拉橡皮条的细绳必须等长，且要稍短一些D．实验前先把两个弹簧秤的钩子互相钩住，平放在桌子上，向相反方向拉动，检查读数是否相同(4)图乙是小强在白纸上根据实验结果做出的力的图示，下列说法中正确的是______（单选）A．图乙中的F是F1和F2的合力的理论值B．图乙中的是F1和F2的合力的实验值C．图乙中的F的方向一定沿AO方向D．在实验中，如果将OB和OC细绳换成橡皮条，对实验结果会有较大的影响【变式3】数据处理与分析3．（24-25高一上·安徽芜湖·阶段练习）某实验小组用如图甲所示的装置“探究力的平行四边形定则”，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳。通过规范的实验操作，结合测得的实验数据在白纸上画出力的图示，如图乙所示。(1)本实验中“等效代替”的含义是______A．橡皮筋可以用细绳替代B．右侧弹簧测力计的作用效果可以替代左侧弹簧测力计的作用效果C．左侧弹簧测力计的作用效果可以替代右侧弹簧测力计的作用效果D．两弹簧测力计的共同作用效果可以用一个弹簧测力计的作用效果替代(2)完成该实验的下列措施中，能够减小实验误差的是______；A．弹簧测力计应在使用之前校零B．拉橡皮筋时，弹簧秤、橡皮筋、细绳应贴近木板且与木板面平行C．拉橡皮筋的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要近些D．使拉力和的夹角很小(3)实验过程中，如果没有操作失误，一定与OA方向在同一条直线的力是（选填或）。(4)做完此实验后，小组同学又将其中一个弹簧测力计拆开，取出其中的轻弹簧，将其一端竖直悬挂在铁架台上，再在其下端悬挂钩码，测量此弹簧的劲度系数，如图丙所示。由测得相关数据，画出弹簧弹力大小F与长度l的关系图像如图丁所示，则由图可得：①该弹簧的原长为cm；②该弹簧的劲度系数。【变式4】等效替代思想的理解4．（24-25高一上·云南大理·阶段练习）在“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验中，如图甲所示，橡皮条的一端固定，另一端系一轻质小圆环，自然长度为。乙图中，用手通过两个弹簧秤共同拉动小圆环，小圆环在拉力，的作用下到达点，橡皮条伸长的长度为。丙图中，改用一个拉力单独拉住小圆环，仍然使小圆环到达点。甲、乙、丙三幅图均为以水平木板为底面的俯视图。(1)在实验操作过程中的做法或结论正确的是________。（填正确选项前的标号）A．在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤与木板平面平行B．橡皮条与两绳夹角的平分线必定在同一直线上C．尽量避免弹簧秤和水平木板之间有摩擦力D．弹簧秤的读数越大越好，且一定要取整数(2)本实验采用的科学方法是________。（填正确选项前的标号）A．建立物理模型法 B．等效替代法C．控制变量法 D．理想实验法(3)做实验时有一个弹簧秤的示数如图丁所示，其读数为。(4)用力的图示法分别描述、、的大小及方向，并以、为邻边，作平行四边形，得其对角线为，如图戊所示。则力、合力的理论值是（填“”或“”）。【变式5】实验技能的培养5．（24-25高一上·四川成都·阶段练习）物理学习小组利用实验室的器材设计了如图1所示的实验装置进行“验证两个互成角度的力的合成规律”实验，量角器竖直放置，结点O与量角器的中心点在同一位置。(1)实验中保持重物c质量不变以及O点位置不变，改变细绳与细绳的方向，细绳与细绳拉力的合力（填“变化”或“不变化”）。(2)关于该实验，下列说法正确的是___________。A．弹簧测力计必须与量角器平行B．连接弹簧测力计的两细绳之间的夹角越大越好C．两细绳、必须垂直(3)在某次实验中，弹簧测力计a、b的读数分别是、，然后只用弹簧测力计a测量物体重力，其读数为F，最后根据平行四边形定则作出、的合力。若操作正确，则作出的图应是图（填“2”或“3”）。1．（24-25高一上·河南·阶段练习）某同学用如图甲所示的装置做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验，主要步骤如下：①用两个相同的弹簧测力计沿纸面互成角度拉套在橡皮筋结点的细绳套，使橡皮筋伸长，结点到达纸面上某一位置静止，记为O；②记录两个弹簧测力计的拉力和的大小和方向；③只用一个弹簧测力计拉绳套，使结点仍到位置O；④按照力的图示要求，作出拉力、、；⑤根据力的平行四边形定则作出和的合力F；⑥比较F与的大小、方向的一致程度，(1)以上步骤操作中有重要遗漏的是（填步骤前的数字序号），遗漏的操作内容是；(2)根据实验数据，该同学作出实验结果图如图乙所示，则（填“F”或“”）一定沿AO方向；(3)图丙是某次实验记录的部分信息，其中合力；与合力F夹角为60°，与合力F夹角为30°，则的大小为N。2．（24-25高一上·甘肃白银·阶段练习）在“探究求合力的方法”实验中，现有木板、白纸、图钉、橡皮条、细绳套和一个弹簧测力计和一根未知劲度系数的轻弹簧。(1)为完成实验，某同学先测量轻弹簧的劲度系数，得到的实验数据如表所示，并把对应的数据描在坐标系中，请在图甲中画出F−x图像。则该弹簧的劲度系数k=N/m（计算结果保留整数）。弹力F/N0.501.001.502.002.503.003.50伸长量x/（×10−2m）0.741.802.803.724.605.586.42(2)实验中，将橡皮条的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，水平方向用（1）中已测出劲度系数的轻弹簧、竖直方向用弹簧测力计共同拉橡皮条，当橡皮条的结点拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图乙所示。利用（1）中结果，可得水平方向弹簧弹力的值F1=4N，这时竖直弹簧测力计的示数F2=。本次操作除记录下F1、F2的大小、方向外，还需记录。(3)第二次只用弹簧测力计拉动拴在橡皮条上的细绳，拉动细绳时的操作要求是，还需要记录。(4)在如图丙所示的方格纸上按作图法的要求画出（2）中的两个力及它们的合力。（每格代表0.50N）（5）对比两次实验结果，得出实验结论。3．（24-25高一上·山东·阶段练习）某实验小组用如图甲所示装置进行验证力的平行四边形定则的实验，其中为固定橡皮筋的图钓，为橡皮筋与细绳的结点，和为细绳。(1)下列操作中正确的是________。A．为减小测量误差，、方向间的夹角越大越好B．为减小测量误差，、方向间的夹角越小越好C．每次实验中，只需记录弹簧测力计的读数和结点到达的位置D．在测量同一组数据、和合力的过程中，结点到达的位置不能变化(2)某次实验弹簧测力计读数如图乙所示，读数是N。(3)某次实验中两弹簧测力计拉力及两个拉力的合力的示意图如图丙所示，为一个弹簧测力计拉橡皮筋时的力。如果没有操作失误则图丙中的与两个力中，方向一定沿方向的是（填或）。4．（24-25高三上·天津北辰·阶段练习）有同学利用如图所示的装置来验证力的平行四边形定则：在竖直木板上铺有白纸，固定两个光滑的滑轮A和B，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和，回答下列问题：(1)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是______（填选项前字母）。A．用天平测出钩码的质量B．量出OA、OB、OC三段绳子的长度C．用量角器量出三段绳子之间的夹角D．标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向(2)在作图时，你认为图示中（填“甲”或“乙”）是正确的。(3)改变钩码个数，再次做实验时绳子的结点O必须与上一次的结点重合（“是”或“否”）5．（24-25高一上·浙江·阶段练习）某实验小组用如图所示的实验装置来验证“力的平行四边形定则”，木板竖直固定，弹簧测力计挂于固定点，用水平向左的力拉着弹簧测力计，结点静止在某位置。(1)图中弹簧测力计的示数为。(2)关于该实验的操作，有利于减小实验误差的是__________（单选）。A．测量时，细线和弹簧测力计应贴近并平行于木板B．测量时弹簧测力计外壳与木板之间不能存在摩擦C．每次实验必须保持结点在同一位置(3)现缓慢增大弹簧测力计的水平拉力，则__________（多选）。A．弹簧测力计的示数变大 B．弹簧测力计的示数变小C．弹簧测力计的合力变大 D．弹簧测力计的合力不变(4)实验小组还测得弹簧测力计的刻度线到刻度线的长度为10cm，该弹簧测力计弹簧的劲度系数是。6．（24-25高一上·四川南充·阶段练习）在做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验时(1)在水平放置的情况下对两个弹簧测力计进行校零，对拉时示数相等，然后在竖直平面内进行实验，如图1，则拉力的测量值（“偏大”、“偏小”）。(2)在水平桌面上做实验时，如图2，先用两个弹簧测力计把橡皮筋拉到一定长度，记下，同时记下、的大小和方向。再用一个弹簧测力计拉橡皮筋，把结点拉到O点时，弹簧测力计的示数如图3所示，读数为N。(3)为减小实验误差，下列措施可行的是（选填字母）。A．两个弹簧A、B间的夹角要尽量小些B．为了方便操作，OA与OB细绳要尽量短些C．将橡皮筋拉至结点O时，拉力要适当大些D．拉橡皮筋时，弹簧测力计、橡皮筋、细绳应靠近木板且与木板面平行(4)该兴趣小组通过多次实验得到多组实验数据，肯定有误的是______。（多选）A． B．C． D．7．（24-25高一上·甘肃·阶段练习）某实验小组做“探究两个互成角度的力的合成规律”实验，部分装置如图甲所示。(1)在某次实验中，其中一只弹簧测力计的指针如图乙所示，则其读数为N；(2)某次实验中，用、表示两个互成角度的力、F表示平行四边形作出的与的合力，表示用一只弹簧测力计拉橡皮筋时的力，则下列选项中符合实验事实的是______；A． B． C． D．(3)某次实验时，小组同学保持两分力大小不变，任意改变这两个分力的夹角，记录两个分力同的夹角为，以反对应的合力为F，作出F与的关系图像如图丙所示，则由图可得，这两个分力的合力的最大值为N。8．（24-25高一上·贵州·阶段练习）某同学做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验。如图甲所示为某次实验中用手通过两个弹簧测力计共同拉动小圆环的示意图（小圆环上带两绳套），其中A为固定橡皮条的图钉，O为标记出的小圆环的位置，OB和OC为细绳。图乙是在白纸上根据该次实验结果画出的图。(1)本实验主要采用的科学方法是A．控制变量法 B．等效替代法C．理想实验法 D．建立物理模型法(2)图乙中的力F和力F'，若实验操作正确，一定沿橡皮条AO方向的是（选填“F”或“F'”）(3)本实验操作中应满足的要求是（填入相应的字母）。A．在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行B．在用两个弹簧测力计同时拉细绳时，只需记录两弹簧测力计测出的力的大小C．在用两个弹簧测力计同时拉细绳时，两拉力的夹角应为90°D．用两个弹簧测力计同时拉细绳时将橡皮条的另一端拉到的位置与用一个弹簧测力计拉时拉到的位置必须要相同。(4)在另一次实验中，该同学用两个弹簧测力计，通过细绳对小圆环施加平行木板平面的拉力作用，两个拉力的方向如图丙所示。如果小圆环可视为质点，且小圆环、橡皮条和细绳的重力可忽略不计，小圆环平衡时，橡皮条AO、细绳OB和OC对小圆环的拉力的分别为F1、F2和F3，关于这三个力的大小关系，正确的是A．F1>F2>F3 B．F3>F1>F2 C．F2>F3>F1 D．F3>F2>F19．（24-25高一上·江西南昌·阶段练习）某实验小组做“探究两个互成角度的力的合成规律”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳的结点，OB和OC为细绳。图乙是在白纸上根据实验结果画出的图。(1)按照正常实验操作，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是（填F或F′）；(2)某同学认为在此过程中必须注意以下几项其中正确的是（）A．两根细绳必须等长B．橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上C．在使用弹簧秤时要注意使弹簧秤与木板平面平行D．在用一个弹簧秤拉细绳时，必须将橡皮条的另一端拉到用两个弹簧秤同时拉细绳时标记的位置(3)实验时下列信息中需要标记或者记录的有（）A．橡皮筋的原长B．橡皮筋原长时结点的位置C．力F′和F1、F2的大小和方向(4)实验中的一次测量如图丙所示，两个测力计M、N的拉力方向互相垂直，即α+β=90°，若保持测力计M的读数不变，当角α由图中所示的值逐渐减小时，要使橡皮筋的活动端仍在O点，可采用的办法是（）A．增大N的读数，减小β角 B．减小N的读数，减小β角C．减小N的读数，增大β角 D．增大N的读数，增大β角10．（24-25高一上·江苏扬州·期中）在探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，桌上放一块方木板，用图钉把一张白纸钉在方木板上。再用图钉把橡皮筋的一端固定在板上的A点。在橡皮筋的另一端拴上两条细绳形成结点，细绳的另一端系着绳套。先用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮筋；再用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮筋。(1)判断力F单独作用与力F1、F2共同作用效果相