2020版高考物理一轮复习第二章第6节实验：研究两个互成角度力的合成规律讲义含解析.pdf

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1、实验：研究两个互成角度力的合成规律实验：研究两个互成角度力的合成规律 一、实验目的 1研究两个互成角度力的合成规律。 2学会用作图法处理实验数据和得出实验结论。 二、实验原理 等效思想：使一个力F的作用效果和两个力F1和F2的作用效果相同，就是使同一条 一端固定的橡皮条伸长到同一点O，即伸长量相同，所以F为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、F在实验误差允 许的范围内是否大小相等、方向相同。 三、实验器材 方木板、白纸、弹簧测力计(两个)、橡皮条、细绳套(两个)、三角板、刻度尺、图钉 (几个)、铅笔。 部分器材用途 橡皮条伸长量相同，

2、保证两次操作作用效果相同 白纸 用铅笔在其上描点，确定力的方向，并作出力的图示以验证力 的平行四边形定则 四、实验步骤 1仪器安装 (1)如实验原理图所示，用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。 (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测量与记录 (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，使橡皮条与绳的结点伸 长到某一位置O。记录两弹簧测力计的读数F1、F2，用铅笔描下O点的位置及此时两细绳的 方向。 (2)只用一个弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O。记下弹簧测力 计的读数F和细绳套的方向。 (3)改变两弹簧测力计拉力的大小和方向

3、，再重做两次实验。 五、数据处理 1用铅笔和刻度尺从结点O沿两条细绳套方向画直线，按选定的标度作出这两个弹簧 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中只用一个弹簧测力计的 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，从而研究两个互成角度力的合成规律。 六、误差分析 1 弹簧测力计读数时会带来误差， 在条件允许的情况下， 弹簧测力计的示数适当大一些。 读数时眼睛一定要平视，要按有效数字的读数规则正确地读数和记录。 2针对作图带来的实验误差

4、，重点关注两方面，一是两个分力F1、F2间的夹角要适当 大一些，以 60100之间为宜，夹角太大或太小都会带来较大误差，此外细绳套应适当 长一些，便于确定力的方向；二是选定的标度要合理，两个分力的图示分别等于 36 倍标 度比较合理。 七、注意事项 1位置不变：在同一次实验中，使橡皮条拉长时结点的位置一定要相同。 2统一标度 ： 在同一次实验中，画力的图示选定的标度要相同，并且要恰当选定标度， 使力的图示稍大一些。 基础考法 考法(一) 实验原理与操作 1某实验小组用如图所示的装置做“研究两个互成角度力的合成规律”实验。 (1)下面关于此实验的说法，不正确的一项是_。 A如图甲，用两个弹簧测力

5、计把橡皮条的一端拉到O点时，两个弹簧测力计之间的夹 角必须取 90 ，以便算出合力的大小 B用一个弹簧测力计拉橡皮条时(如图乙)，必须保证仍把橡皮条的一端拉到O点 C实验中，弹簧测力计必须保持与木板平行，读数时视线要正视弹簧测力计的刻度 D拉橡皮条的细线要稍长一些，用以标记细线方向的两点距离要远些 (2)图丙是某同学得到的实验结果，其中_(选填“F”或“F”)表示的是用一 个弹簧测力计拉橡皮条时的结果。 解析：(1)用两个弹簧测力计把橡皮条的一端拉到O点时，两个弹簧测力计之间的夹角 不一定要取 90，大小适当即可，选项 A 错误；用一个弹簧测力计拉橡皮条时，必须保证 仍把橡皮条的一端拉到O点，

6、以保证等效性，选项 B 正确 ； 实验中，弹簧测力计必须保持与 木板平行， 读数时视线要正视弹簧测力计的刻度， 选项 C 正确 ； 拉橡皮条的细线要稍长一些， 用以标记细线方向的两点距离要远些，选项 D 正确。 (2)F是合力的实验值，与OA共线，则F表示的是用一个弹簧测力计拉橡皮条时的 结果。 答案：(1)A (2)F 2某同学做“研究两个互成角度力的合成规律”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)如果没有操作失误，图乙中的F与F两力中，方向一定沿AO方向的是_。 (2)本实验采用的科学方法是

7、_。 A理想实验法 B等效替代法 C控制变量法 D建立物理模型法 (3)实验时，主要的步骤是： A在桌上放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上； B用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳 的另一端系着绳套； C用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达 某一位置O。记录下O点的位置，读出两个弹簧测力计的示数； D按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两个弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平 行四边形定则求出合力F； E只用一个弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记 下细绳的方向，按同一

8、标度作出这个力F的图示； F比较F和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论。 上述步骤中：有重要遗漏的步骤的标号是_和_； 遗漏的内容分别是_ 和_。 解析：(1)由一个弹簧测力计拉橡皮条至O点的拉力一定沿AO方向；而根据平行四边形 定则作出的合力，由于误差的存在，不一定沿AO方向，故一定沿AO方向的是F。 (2)一个力的作用效果与两个力的作用效果相同，它们的作用效果可以等效替代，故本 实验采用等效替代法，B 正确。 (3)根据“验证力的平行四边形定则”实验的操作步骤可知，有重要遗漏的步骤的标 号是 C、E。 在 C 中未记下两条细绳的方向，E 中未说明是否把橡皮条的结点拉到同一位置O。 答

9、案 ： (1)F (2)B (3)C E C 中应加上“记下两条细绳的方向” E 中应说明 “把橡皮条的结点拉到同一位置O” 考法(二) 数据处理与误差分析 3(2018天津高考)某研究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，所用器材有： 方木板一块， 白纸， 量程为 5 N 的弹簧测力计两个， 橡皮条(带两个较长的细绳套)， 刻度尺， 图钉(若干个)。 (1)具体操作前，同学们提出了如下关于实验操作的建议，其中正确的有_。 A橡皮条应和两绳套夹角的角平分线在一条直线上 B重复实验再次进行验证时，结点O的位置可以与前一次不同 C使用测力计时，施力方向应沿测力计轴线；读数时视线应正对测力计刻度 D

10、用两个测力计互成角度拉橡皮条时的拉力必须都小于只用一个测力计的拉力 (2)该小组的同学用同一套器材做了四次实验，白纸上留下的标注信息有结点位置O、 力的标度、分力和合力的大小及表示力的作用线的点，如下图所示。其中对于提高实验精度 最有利的是_。 解析：(1)两细绳套拉力的合力不一定沿两细绳套夹角的角平分线，故 A 错误。同一次 实验， 用一个细绳套拉橡皮条和用两个细绳套拉橡皮条结点O的位置应相同， 不同次实验结 点O的位置可以不同， 故 B 正确。 为减小弹簧测力计摩擦和误差， 施力方向应沿测力计轴线， 读数时视线正对测力计刻度，故 C 正确。合力可以比分力大，也可以比分力小，故 D 错误。

11、(2)为了提高实验精度，测力计读数应适当大一些，标度应适当小一些，两分力夹角适 当大一些，标注细线方向的两点离结点应适当远一些。故选 B。 答案：(1)BC (2)B 4在研究两个互成角度力的合成规律时，先将橡皮条的一端固定在水平木板上，另一 端系上带有绳套的两根细绳。实验时，需要两次拉伸橡皮条，一次是通过两细绳用两个弹簧 测力计互成角度地拉橡皮条，另一次是用一个弹簧测力计通过细绳拉橡皮条。 (1)同学们在操作过程中有如下议论， 其中对减小实验误差有益的说法是_(填字 母代号)。 A两根细绳必须等长 B弹簧测力计、细绳、橡皮条都应与木板平行 C用两个弹簧测力计同时拉细绳时，两弹簧测力计示数适当

12、大一些 D拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些 (2)当橡皮条的活动端拉到O点时， 两根细绳相互垂直， 如图所示。 这时弹簧测力计a、b 的读数分别为_N 和_N。 (3)在给出的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力，并利用作图法求出 合力大小为_N。 解析：(1)拉橡皮条的两根细绳长度不需要相等，适当长一些，标记同一细绳方向的两 点离得远一些， 可以减小在方向描述上的误差。 弹簧测力计、 细绳、 橡皮条都应与木板平行， 以保证各拉力的方向与木板平行， 这样能够在白纸上记录下各力的方向。 弹簧测力计示数适 当大一些可减小误差，B、C、D 正确。 (2)弹簧测力计上最小一

13、格表示 0.1 N，读数时有效数字要保留两位小数，即a、b测力 计示数分别为 4.00 N 和 2.50 N。 (3)以方格纸上一个小格的边长作为 0.5 N 的标度，作出两个拉 力的图示，以这两个拉力为邻边作平行四边形，则所夹的对角线就表 示合力的大小和方向， 如图所示。 量出该对角线的长度，结合标度，可 得合力大小约为 4.70 N。 答案：(1)BCD (2)4.00 2.50 (3)作图见解析 4.70 5(2017全国卷)某探究小组做“验证力的平行四边形定则”实验，将画有坐标轴 (横轴为x轴，纵轴为y轴，最小刻度表示 1 mm)的纸贴在水平桌面上，如图(a)所示。将橡 皮筋的一端Q固

14、定在y轴上的B点(位于图示部分之外)， 另一端P位于y轴上的A点时， 橡 皮筋处于原长。 (1)用一只测力计将橡皮筋的P端沿y轴从A点拉至坐标原点O，此时拉力F的大小可 由测力计读出。测力计的示数如图(b)所示，F的大小为_N。 (2)撤去(1)中的拉力， 橡皮筋P端回到A点 ； 现使用两个测力计同时拉橡皮筋， 再次将P 端拉至O点。此时观察到两个拉力分别沿图(a)中两条虚线所示的方向，由测力计的示数读 出两个拉力的大小分别为F14.2 N 和F25.6 N。 ()用 5 mm 长度的线段表示 1 N 的力， 以O为作用点， 在图(a)中画出力F1、F2的图示， 然后按平行四边形定则画出它们的

15、合力F合； ()F合的大小为_ N，F合与拉力F的夹角的正切值为_。 若F合与拉力F的大小及方向的偏差均在实验所允许的误差范围之内，则该实验验证了 力的平行四边形定则。 解析 ： (1)由测力计的读数规则可知，读数为 4.0 N。(2)()利用平行四边形定则作图， 如图所示。 ()由图可知F合4.0 N，从F合的顶点向x轴和y轴分别作垂线，顶点的横坐标对应 长度为 1 mm，顶点的纵坐标长度为 20 mm，则可得出F合与拉力F的夹角的正切值为 0.05。 答案：(1)4.0 (2)()图见解析 ()4.0 0.05 例 1 某实验小组用一个弹簧测力计和一个量角器等器 材研究两个互成角度力的合成

16、规律，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 ： .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； .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； .根据力的平行四边形定则计算绳套 1 的拉力大小F1_； .比较_，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 ； .只改变绳套 2 的方向，重

17、复上述实验步骤。 回答下列问题： (1)完成实验步骤：_；_。 (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_(填选项前的序号)。 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：研究两个互成角度力的合成规律，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

18、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F1Ftan 30。比较F1 与F1的大小关系。 解析 (1)由力的平行四边形定则计算绳套 1 的拉力F1Ftan 30F 3 3 通过比较F1和F1，在误差范围内相同，则可初步验证力的 平行四边形定则。 (2)两个绳套在转动过程中，合力保持不变，根据平行四边 形定则画出图像，如图所示， 由图像可知，绳套 1 的拉力大小逐 渐增大，故 A 项正确。 答案 (1) F1和F1 (2)A 3F 3 例 2 某同学找到一条遵循胡克

19、定律的橡皮筋并利用如下实验 器材研究两个互成角度力的合成规律 ： 刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子、质量不 同的小重物若干、木板。实验方案如下： 将橡皮筋的两端分别与两条细绳相连，测出橡皮筋的原长； 将橡皮筋一端细绳用钉子固定在竖直木板上的A点， 在橡皮筋的中点O用细绳系住重 物，使重物自然下垂，如图甲所示； 将橡皮筋的另一端细绳固定在竖直木板上的B点，如图乙所示。 (1)为完成本实验，下列还必须测量的物理量为_。(填选项前字母) A小重物的质量 B细绳的长度 C图甲中OA段橡皮筋的长度 D图乙中OA和OB段橡皮筋的长度 (2)在完成本实验的过程中，必须注意的事项是_。(填选项前字母)

20、A橡皮筋两端连接的细绳长度必须相同 B图乙中A、B两点必须等高 C图乙中连接小重物的细绳必须在OA、OB夹角的角平分线上 D记录图甲中O点的位置和OA的方向 E记录图乙中O点的位置和OA、OB的方向 (3)若钉子位置固定，利用现有器材改变实验效果，可采用的方法是_。 三步稳解题 1分析实验目的：研究两个互成角度力的合成规律。 2确定实验原理：利用遵循胡克定律的橡皮筋，其弹力大小与伸长量成正比。测出各 伸长量的大小，作出力的图示以便验证平行四边形定则。 3判定数据处理方案 (1)测出橡皮筋的原长和图甲中OA段橡皮筋的长度、图乙中OA和OB段橡皮筋的长度， 则可计算出合力和两分力的大小关系。 (2

21、)由乙图确定合力和两分力的方向，作出力的图示。 (3)以两分力为临边作平行四边形求出合力与图甲中的合力比较得出结论。 解析 (1)橡皮筋遵循胡克定律，要测量拉力可以通过测量橡皮筋的长度和原长，得 到橡皮筋的伸长量，根据拉力大小与伸长量成比例作力的图示。为了使两次实验效果相同， 必须记下题图甲中OA段橡皮筋的长度、 题图乙中OA和OB段橡皮筋的长度作参照， 故选 C、 D。 (2)橡皮筋连接的细绳要稍微长些，并非要求等长，A 错误；题图乙中A、B两点不用必 须等高，B 错误；题图乙中连接小重物的细绳可以在OA、OB夹角的角平分线上，也可以不 在角平分线上，C 错误；题图甲中O点的位置和OA的方向

22、不需要记录，D 错误；需要记录题 图乙中O点的位置和OA、OB的方向，E 正确。 (3)在钉子位置不变的情况下，要改变实验效果，只有改变小重物的质量。故可采用的 方法是更换小重物。 答案 (1)CD (2)E (3)更换小重物 创新领悟 实验原 理的创 新 (图 1) (图 2) 图 1： 1.将橡皮筋和弹簧秤的实验角色互换。 2.秤钩上涂抹少许润滑油，保证了橡皮筋两侧弹力大小相同，与两侧橡皮 筋长度大小无关。 图 2： 1.通过应用定滑轮，改变拉力的方向。 2.钩码的总重力即为对应细绳拉力大小。 1.电子秤代替弹簧秤，可以直接读出力的大小。 2.同一电子秤应用于(a)、(b)、(c)三个图中

23、，可测得三根细线中拉力的大 小。 实验器 材的创 新 1.用量角器可直接测量力的夹角，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夹角不变。 实验过 程的创 新 1.探究拉伸过程对橡皮筋弹性的影响。 2.橡皮筋上端固定，下端挂一重物，用水平力两次拉动重物，对应不同的 轨迹。 创新考法 1.如图所示，某实验小组同学利用 DIS 实验装置研究支架 上力的分解。A、B为两个相同的双向力传感器，该类型传感器 在受到拉力时读数为正，受到压力时读数为负。B固定不动并通 过光滑铰链连接一直杆，A可沿固定的圆弧形轨道(圆心在O点)移动，A连接一不可伸长的 轻绳，轻绳另

24、一端系在杆右端O点构成支架，实验时始终保持杆在水平方向，取重力加速度 大小g10 m/s2，计算结果保留一位有效数字。操作步骤如下： 测量轻绳与水平杆的夹角； 对两个传感器进行调零； 用另一根轻绳在O点悬挂一钩码，记录两个传感器的读数； 取下钩码，移动A，改变角； 重复上述实验步骤，得到的数据记录在表格中。 F1/N2.0011.1551.1562.002 F2/N1.7330.5780.5791.734 3060120150 (1)根据表格数据可得，A对应的是表中力_(选填“F1”或“F2”)，钩码质量 为_kg。挂上钩码后，A沿固定轨道移动过程中轻绳AO上的力的最小值为_N。 (2)每次改

25、变角后都要对传感器进行调零，此操作目的是_。 A事先忘记调零 B可以完全消除实验的误差 C消除直杆自身重力对结果的影响 解析：(1)由题中表格数据可知，F1都是正值，传感器受到的都是拉力，因绳子只能提 供拉力， 故A对应的是F1。 当30时， 对点O受力分析有F1sin 30mg， 解得m 0. 1 kg，当AO方向竖直时，拉力最小，则最小值为Fmg1 N。(2)本实验中多次对传感器 进行调零，是为了消除直杆自身重力对结果的影响，故 C 正确。 答案：(1)F1 0.1 1 (2)C 2一同学用电子秤、水壶、细线、墙钉和贴在墙上的白纸等物品，在家中研究两个互 成角度力的合成规律。 (1)如图(

26、a)， 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(b)， 将三根细线L1、L2、L3的一端打结， 另一端分别拴在电子秤的挂钩、 墙钉A 和水壶杯带上。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(c)，将另一颗墙钉B钉在与O同一水平位置上，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

27、测量装满水的水壶的重力，则应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，也要记录三根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的位置不能变 化，力的方向也都不能变化，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在误差范围内重合， 则平行四边形定则得到验证。 答案：(1)静止 (2)三根细线的方向 (3)结点O的位置 (4)F和F在误差范围内重合 3某同学通过下述实验

28、研究两个互成角度力的合成规律。 实验步骤： 将弹簧秤固定在贴有白纸的竖直木板上，使其轴线沿竖直方向。 如图甲所示， 将环形橡皮筋一端挂在弹簧秤的秤钩上， 另一端用圆 珠笔尖竖直向下拉，直到弹簧秤示数为某一设定值时，将橡皮筋两端的位 置标记为O1、O2，记录弹簧秤的示数F，测量并记录O1、O2间的距离(即 橡皮筋的长度l)。每次将弹簧秤示数改变 0.50 N，测出所对应的l，部分数据如下表所示： F/N00.501.001.502.002.50 l/cml010.9712.0213.0013.9815.05 找出中F2.50 N 时橡皮筋两端的位置， 重新标记为O、O， 橡 皮筋的拉力记为FO

29、O。 在秤钩上涂抹少许润滑油，将橡皮筋搭在秤钩上，如图乙所示。 用两圆珠笔尖成适当角度同时拉橡皮筋的两端， 使秤钩的下端达到O点， 将两笔尖的位置标记为A、B，橡皮筋OA段的拉力记为FOA，OB段的拉 力记为FOB。 完成下列作图和填空： (1)利用表中数据在图丙中画出Fl图线，根据图线求得l0_cm。 (2)测得OA6.00 cm，OB7.60 cm，则FOA的大小为_N。 (3)根据给出的标度，在图丁中作出FOA和FOB的合力F的图示。 (4)通过比较F与_的大小和方向，即可得出实验结论。 解析：(1)在坐标系中描点，用平滑的曲线(直线)将各点连接起来，不在直线上的点均 匀分布在直线的两侧

30、。如图 1 所示，由图线可知与横轴的交点l010.00 cm。 (2)橡皮筋的长度lOAOB13.60 cm， 由图1可得F1.80 N， 所以FOAFOBF 1.80 N。 (3)利用给出的标度作出FOA和FOB的图示，然后以FOA和FOB为邻边作出平行四边形， 过O点的对角线即为合力F，如图 2 所示。 (4)FO O的作用效果和FOA、FOB两个力的作用效果相同，F是FOA、FOB两个力的合力， 所以只要比较F和FO O的大小和方向，即可得出实验结论。 答案：(1)如解析图 1 所示 10.00(9.9010.10 均可) (2)1.80(1.701.90 均可) (3)如解析图 2 所示 (4)FO O