专题04 探究两个互成角度的力的合成规律——【备考2023】高考物理实验题专题精讲精练学案（原卷版+解析版）

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1.实验原理
如图，结点在O点，受F1、F2的合力与橡皮条拉力平衡，改用一个拉力拉动结点至O点，则与合等效。以F1和F2为邻边作平行四边形求出合力，若与的大小和方向在误差允许的范围均相同，则力的平行四边形定则成立。
2.实验步骤
(1)把木板放于水平桌面上，用图钉把白纸固定在木板上。
(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，形成结点。
(3)用两只弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地施加拉力，将橡皮条结点拉到某一位置O，如图甲。记录两弹簧测力计的示数，用铅笔描下此时O点的位置及两细绳套的位置。
(4)用铅笔和刻度尺从结点O沿两个细绳套方向画直线，按选定的标度作出F1和F2的图示，并以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，此对角线即为合力的图示。
(5)只用一只弹簧测力计钩住细绳套，把结点拉到同一位置O，记下弹簧测力计读数和细绳套的方向，作出的图示。
(6)在误差允许的范围内，若与大小相等、方向相同，则验证了力的平行四边形定则。
(7)改变两力的大小和方向，重复实验两次。
典例1：（2022·天津·模拟）甲同学尝试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c，下端用细线挂一重物Q，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）图甲中弹簧测力计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Q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）乙同学换用两个弹簧测力计拉橡皮筋到O点，两弹簧测力计读数分别为和，用一个弹簧测力计拉橡皮筋到O点时读数为，通过作图法验证平行四边形定则时，图乙中符合实际情况的是______；
【答案】（1）5.80 （2） D （3）C
【规范答题】（1）[1]弹簧测力计的读数为精度是0.1N，所以读数应该是5.80N。
（2）[2]A．实验通过作出三个力的图示，来验证“力的平行四边形定则”，因此重物的重力必须要知道，A正确；
B．弹簧测力计是测出力的大小，所以要准确必须在测之前校零，B正确；
C．拉线方向必须与木板平面平行，这样才确保力的大小准确性，C正确；
D．当结点O位置确定时，弹簧测力计A的示数也确定，由于重物的重力确定，两力大小与方向均一定，因此弹簧测力计B的大小与方向也一定，所以不需要改变拉力多次实验，D错误。
故选D。
（3）[3]实际测量的合力应与橡皮筋在同一条直线上，即与橡皮筋在同一条直线上，由平行四边形定则作出的为理论值与实际值有一定的偏差，即由平行四边形定则作出的力为F，，ABD错误C正确。
故选C。
典例2：（2019·浙江·高考真题）（1）在“探究求合力的方法”的实验中，下列操作正确的是( )
A．在使用弹簧秤时，使弹簧秤与木板平面平行
B．每次拉伸橡皮筋时，只要使橡皮筋伸长量相同即可
C．橡皮筋应与两绳夹角的平分线在同一直线上
D．描点确定拉力方向时，两点之间的距离应尽可能大一些
（2）在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，两个相同的小车放在光滑水平板上，前段各系一条细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可放重物．小车的停和动通过用黑板擦按住小车后的细线和抬起来控制，如图1所示．实验要求小盘和重物所受的重力近似等于使小车做匀加速直线运动的力．
请指出图2中错误之处：_______________________________．
调整好装置后，在某次实验中测得两小车的位移分别是x1和x2，则两车的加速度之比为_______________．
【答案】 （1）AD （2）拉小车的细绳与木板没有平衡，托盘和砝码的总质量m没有远小于小车的质量M
【规范答题】（1）弹簧秤是否与木板平面平行，将会影响弹簧秤的读数，即力的大小，A正确；两次拉橡皮筋，要使橡皮筋的结点到达同一位置，并不是两次拉橡皮筋的伸长量相同，也不一定橡皮条要在两细线的夹角平分线上，BC错误；在记录力的方向时，同一细绳方向的两点要远些，作图时产生的角度误差会减小，D正确；
（2）实验要求小盘和重物所受的重力近似等于使小车做匀加速直线运动的力，则必须满足托盘和砝码的总质量远远小于小车的质量，从图2可知托盘的质量150g，小车的质量200g，达不到要求；拉小车的细绳与木板没有平行；
两小车的运动时间相同，根据位移时间公式可得．
1．（2022·河南信阳·一模）“探究求合力的方法”的实验装置如图所示，在该实验中
①下列说法正确的是___________；
A．拉着细绳套的两只弹簧秤，稳定后读数应相同
B．在已记录结点位置的情况下，确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的两点
C．测量时弹簧秤外壳与木板之间不能存在摩擦
D．测量时，橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板
②若只有一只弹簧秤，为了完成该实验至少需要___________（选填“2”、“3”或“4”）次把橡皮条结点拉到O。
【答案】 ①D ②3
【规范答题】①[1]A．在不超出弹簧测力计的量程和橡皮条形变限度的条件下，使拉力适当大些，不必使两只测力计的示数相同，故A错误；
B．在已记录结点位置的情况下，确定一个拉力的方向需要再选择相距较远的一个点就可以了，故B错误；
C．实验中拉弹簧秤时，只需让弹簧与外壳间没有摩擦，此时弹簧测力计的示数即为弹簧对细绳的拉力相等，与弹簧秤外壳与木板之间是否存在摩擦无关，故C错误；
D．为了减小实验中摩擦对测量结果的影响，拉橡皮条时，橡皮条、细绳和弹簧秤应贴近并平行于木板，故D正确。
故选D。
②[2] 若只有一只弹簧秤，为了完成该实验，用手拉住一条细绳，用弹簧称拉住另一条细绳，互成角度的拉橡皮条，使其结点达到某一点O，记下位置O和弹簧称示数F1和两个拉力的方向；交换弹簧称和手所拉细绳的位置，再次将结点拉至O点，使两力的方向与原来两力方向相同，并记下此时弹簧称的示数F2；只有一个弹簧称将结点拉至O点，并记下此时弹簧称的示数F的大小及方向；所以若只有一只弹簧秤，为了完成该实验至少需要3次把橡皮条结点拉到O。
2．（2022·河北·模拟预测）如图所示，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。固定在竖直木板上的量角器直边水平，橡皮筋一端固定于量角器圆心的正上方A处，另一端系着绳套1和绳套2。
（1）主要实验步骤如下：
①弹簧测力计挂在绳套1上，竖直向下拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达处，记下弹簧测力计的示数；
②将弹簧测力计挂在绳套1上，手拉着绳套2，缓慢拉橡皮筋，使橡皮筋的结点到达处，此时绳套1沿方向，绳套2沿方向，记下拉绳套1的弹簧测力计的示数；
③根据力的平行四边形定则计算此时绳套1的拉力_________；
④比较_________，即可初步验证力的平行四边形定则；
⑤改变绳套2的方向，重复上述实验步骤。
（2）保持绳套2方向不变，绳套1从图示位置向下缓慢转动的过程中为保持橡皮筋的结点在处不动，绳套1旋转角度应满足的范围是_________。
【答案】（1） 和 （2）
【规范答题】（1）[1]据力的平行四边形定则，绳套1的拉力与绳套2的拉力的矢量和等于F，由几何关系知
[2]实际测量绳套1的拉力和应用平行四边形法则计算的绳套1的拉力进行比较，若两者在误差允许的范围内近似相等，即可初步验证力的平行四边形定则。
（2）[3]保持绳套2方向不变，绳套1从图示位置向下缓慢转动的过程中为保持橡皮筋的结点在处不动，即保持两力的合力沿AO方向，故绳套1旋转角度应满足的范围是。
3．（2022·上海浦东新·模拟预测）两位同学一起做“研究共点力的合成”实验。
（1）实验采用的主要科学方法是( )
A．理想实验法 B．等效替代法 C．控制变量法 D．模拟研究法
（2）他们的实验操作的部分步骤如下，老师指出①、②步骤中各有一处存在遗漏。
①一位同学直接取用图（a）的两个弹簧测力计分别钩住绳套，平行于图板互成角度地拉伸橡皮筋使结点至P点（示意图如（b）），另一同学记录下P点位置、两测力计对应拉力F1、F2的大小和方向。
②再用一只弹簧测力计，通过一个细绳套拉伸橡皮筋使其伸长相同长度，记录测力计的示数F′和细绳的方向，并按同一标度作出F′的图示。
请说明①步骤中遗漏的内容_________；②步骤中遗漏的内容_____。
（3）两同学怀疑实验中的橡皮筋会因多次拉伸而弹性发生变化，于是设计如下实验来探究：将钉有白纸的图板竖直固定，橡皮筋上端固定于O点，一个细绳套上挂一重物，用与白纸平行的水平力拉另一细绳套，缓慢移动结点，在白纸上记录下结点的轨迹，如图（c）中“轨迹1”所示。
把橡皮筋多次拉伸后，重复实验，在同一张纸上记录下结点的轨迹2，如图（d）所示。过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点，则两次实验中橡皮筋分别被拉到a、b时，橡皮筋拉力的方向_____（选填“相同”或“不同”），由此推断拉力的大小Fa____Fb（选填“>”、“