最新高考物理一轮突破实验三 探究两个互成角度的力的合成规律

实验三　探究两个互成角度的力的合成规律【实验过程】1．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。3．用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条与细绳的结点伸长到某一位置O，如图所示，记录两弹簧测力计的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两细绳套的方向。4．只用一只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和细绳套的方向。5．改变两弹簧测力计拉力的大小和方向，再做两次实验。【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。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中只用一个弹簧测力计的拉力F′的图示。3．以F1、F2为邻边，用三角板作平行四边形，发现过O点的对角线与F′几乎重合，而此时对角线为F1、F2的合力F。4．比较F与F′是否完全重合或几乎完全重合，从而得到力的合成满足平行四边形定则。【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过大或过小，用平行四边形定则作图得出的合力F的相对误差也越大。4．减小误差的办法：(1)实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。(2)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。【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的位置一定要相同。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°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，移开细绳套后，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，使所作力的图示稍长一些。教材原型实验【典例1】在“探究求合力的方法”实验中，某同学用两把弹簧测力计将橡皮筋的端点拉到点O，作出这两个拉力F1、F2的图示(图甲)，然后用一把弹簧测力计将橡皮筋的端点仍然拉到O，弹簧测力计示数F如图乙所示。(1)弹簧测力计的示数F＝__________N；(2)请帮他在图甲中画出力F的图示(图中a为记录F方向时所记录的一点)；(3)该同学用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连起来。他观察图形后受到了启发。你认为他紧接着应进行的两个实验步骤是__________。A．整理实验器材B．提出求合力方法的猜想C．改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验D．与同学交流讨论实验结果，得出结论创新型实验类型一　不变目的变装置(悬挂重物)【典例2】某同学用如图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，并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)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为________N。(2)下列不必要的实验要求是________。(请填写选项前对应的字母)A．应测量重物M所受的重力B．弹簧测力计应在使用前校零C．拉线方向应与木板平面平行D．改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置(3)某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请你提出两个解决办法。类型二　不变目的变装置(两个滑轮)【典例3】(2021年河北适应性测试)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5.00 N/m 的弹簧悬挂在支架上，在弹簧挂钩上用细线悬挂小钩码作为铅垂线，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=40 g，钩码组mB=30 g，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α=36.9°，β=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9.80 m/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作出，用平行四边形定则作出合力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(选填“有”或“无”)影响。   答案解析教材原型实验【典例1】在“探究求合力的方法”实验中，某同学用两把弹簧测力计将橡皮筋的端点拉到点O，作出这两个拉力F1、F2的图示(图甲)，然后用一把弹簧测力计将橡皮筋的端点仍然拉到O，弹簧测力计示数F如图乙所示。(1)弹簧测力计的示数F＝__________N；(2)请帮他在图甲中画出力F的图示(图中a为记录F方向时所记录的一点)；(3)该同学用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连起来。他观察图形后受到了启发。你认为他紧接着应进行的两个实验步骤是__________。A．整理实验器材B．提出求合力方法的猜想C．改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验D．与同学交流讨论实验结果，得出结论【解析】(1)弹簧测力计的最小刻度为0.2 N，可知弹簧测力计的示数F＝2.8 N；(2)根据图示法作出F的图示，如图所示；(3)用虚线把F的箭头末端分别与F1、F2的箭头末端连起来。观察图形后受到了启发，提出求合力方法的猜想，然后改变F1、F2的大小和方向，重复上述实验，故B、C正确。答案：(1)2.8　(2)见解析图　(3)B、C创新型实验类型一　不变目的变装置(悬挂重物)【典例2】某同学用如图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，并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)本实验用的弹簧测力计示数的单位为N，图中A的示数为________N。(2)下列不必要的实验要求是________。(请填写选项前对应的字母)A．应测量重物M所受的重力B．弹簧测力计应在使用前校零C．拉线方向应与木板平面平行D．改变拉力，进行多次实验，每次都要使O点静止在同一位置(3)某次实验中，该同学发现弹簧测力计A的指针稍稍超出量程，请你提出两个解决办法。【解析】(1)根据弹簧测力计的指针位置以及读数规则可知A的示数为3.6 N。(2)要验证的关系是A、B两个弹簧测力计的拉力的合力与M的重力等大反向，所以应测量M所受的重力。为减小测量误差，应该做到弹簧测力计使用前校零，拉线的方向与木板平面平行，A、B、C对。改变拉力进行多次实验，O点位置可以不同，D错。(3)A的拉力超过其量程，为减小A的数值，有多种方法。例如，使B拉力减小，减小M的重力大小，A换成量程更大的弹簧测力计，改变B的拉力方向等。答案：(1)3.6　(2)D(3)使B拉力减小；减小M的重力大小；A换成量程更大的弹簧测力计或改变B的拉力方向等(任选两个)。类型二　不变目的变装置(两个滑轮)【典例3】(2021年河北适应性测试)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5.00 N/m 的弹簧悬挂在支架上，在弹簧挂钩上用细线悬挂小钩码作为铅垂线，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=40 g，钩码组mB=30 g，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α=36.9°，β=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9.80 m/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作出，用平行四边形定则作出合力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(选填“有”或“无”)影响。【解析】(2)游标尺精度为=0.1 mm，读数为97 mm+8×0.1 mm=97.8 mm=9.78 cm,则弹簧拉力的增量为ΔF=kΔx=5×9.78×10－2 N=0.489 N。(3)根据题意可知，OA绳产生的拉力为FOA=mAg=40×10－3×9.8 N=0.392 N，OB绳产生的拉力为FOB=mBg=30×10－3×9.8 N=0.294 N，力的合成如图所示：(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。