【高考物理】九大力学实验：实验3 探究两个互成角度的力的合成规律（考点复习-练习）

这是一份【高考物理】九大力学实验：实验3 探究两个互成角度的力的合成规律（考点复习-练习），共15页。试卷主要包含了实验目的，实验原理，实验器材，实验步骤，数据处理，误差分析，注意事项等内容，欢迎下载使用。
实验讲解
1．实验目的
验证互成角度的两个力合成时的平行四边形定则。
2．实验原理
（1）等效法：一个力F′的作用效果和两个力F1、F2的作用效果都是让同一条一端固定的橡皮条伸长到同一点，所以一个力F′就是这两个力F1和F2的合力，作出力F′的图示，如图所示。
（2）平行四边形法：根据平行四边形定则作出力F1和F2的合力F的图示。
（3）验证：比较F和F′的大小和方向是否相同，若在误差允许的范围内相同，则验证了力的平行四边形定则。
3．实验器材
木板、白纸、图钉若干、__橡皮条__、细绳、弹簧测力计（2个）、三角板、__刻度尺__等。
4．实验步骤
（1）用图钉把一张白纸钉在水平桌面上的__木板__上，如图所示。
（2）用两个弹簧测力计分别钩住两个细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一点O。
（3）用铅笔描下__结点O的__位置和两个细绳套的__方向__，并记录弹簧测力计的读数F1、F2，利用刻度尺和三角板作平行四边形，画出对角线所代表的力F。
（4）只用一个弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到与前面实验中相同的__位置O__，记下弹簧测力计的读数F′和细绳套的方向。
（5）比较F和F′，观察它们在实验误差允许的范围内是否__相等__。
5．数据处理
（1）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，从而验证平行四边形定则。
6．误差分析
实验误差除弹簧测力计本身的误差外，还主要来源于__读数__误差和__作图__误差两个方面。
（1）减小读数误差的方法：弹簧测力计数据在允许的情况下，尽量__大__一些，读数时眼睛一定要__正视__，要按有效数字正确读数和记录。
（2）减小作图误差的方法：作图时两力的对边一定要平行，两个分力F1、F2间的夹角大小要适当。
7．注意事项
（1）弹簧相同：使用弹簧测力计前，要先观察指针是否指在零刻度处，若指针不在零刻度处，要设法调整指针，使之指在零刻度处．再将两个弹簧测力计的挂钩钩在一起，向相反方向拉，如果两个示数相同方可使用。
（2）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。
（3）角度合适：用两个弹簧测力计钩住细绳套互成角度地拉橡皮条时，其夹角不宜太__小__，也不宜太大，以60°～120°为宜。
（4）尽量减小误差：在合力不超出量程及在橡皮条弹性限度内，形变应尽量大一些，细绳套应适当长一些，便于确定力的方向。
（5）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。
创新实验
1．对实验原理的理解、实验方法的迁移（如图所示）

甲 乙
2．实验器材的改进（如图所示）
（1）橡皮条弹簧测力计
（2）钩码弹簧测力计
典型考题一、考点一：利用弹簧测力计探究
1．某同学做“验证力的平行四边形定则”实验，如图所示，将橡皮筋的一端P固定，另一端系两根细线，每根细线均与一个弹簧测力计（量程0~5N、最小刻度为0.1N）相连，对测力计甲水平向右施加拉力，测力计乙竖直向下施加拉力，结点在O点静止时，两测力计的示数如图；随后撤去一个测力计，只对一个测力计施加拉力使结点回到O点。
请回答下列问题：
(1)由图可读得水平拉力的大小为 N；
(2)根据已选取的标度，在虚线方格纸上按力的图示要求，画出水平拉力和竖直拉力及其理论上的合力F ；
(3)在本次实验中 （选填“能”或“不能”）验证力的平行四边形定则。
二、考点二：利用等距圆环探究
2．某同学如图甲，用量程为的弹簧测力计，测量一个超出其量程的物体的重力：
（1）将表面印有等距圆环的白纸固定在竖直放置的木板上；
（2）三根细线分别与弹簧测力计一端、一个图钉、待测重物相连，弹簧测力计的另一端固定，通过改变图钉在木板的位置调节细线，使细线的结点与圆环的圆心位置重合；
（3）标出、、的拉力方向，记录弹簧测力计的读数 N；
（4）①根据共点力平衡条件和平行四边形定则，用“力的图示”在图乙中作出、拉力的合力 ；②由作图结果可得重物的重力为 N（结果保留一位小数）。
（5）保持结点和图钉的位置不变，将弹簧测力计从图甲所示位置逆时针旋转到水平位置的过程中，弹簧测力计的示数将 。
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、考点三：利用量角器探究
3．利用橡皮筋、弹簧测力计和圆形量角器等器材验证力的平行四边形定则。
（1）量角器固定在水平桌面上，将带细绳套的橡皮筋一端用图钉固定，如图（a）。
（2）两细绳套挂上弹簧测力计，互成角度拉两只弹簧测力计，将结点拉至量角器圆心O点，如图（b），此时右侧弹簧测力计示数为 N，记录此时力、的大小和方向。在纸上作力、的图示并得到合力F，如图（c）。
（3）改变两细绳套的夹角，仍将结点拉至O点，记录此时力、的大小和方向。
（4）请在图（c）中作出、合力的力的图示： 。
（5）多次重复步骤（3）和（4），比较每次作出的合力，如果这些合力在误差允许范围内都 ，则说明一个力分解成两个力有多种分解方式，分力与合力的关系遵循平行四边形定则。
四、考点四：利用拉力传感器探究
4．为探究“合力与分力的关系”，小鲁同学设计了如下实验。如图甲，在相距为D的两根竖直杆之间用一根长为L的不可伸长的轻绳连接（打结）一物体C，在绳的两端分别连接两个拉力传感器P和Q，保持P、Q的位置不变，且Q高于P，不计拉力传感器的重力。改变悬挂点C到P点的距离（不相对滑动），测得两传感器的拉力大小随的变化图像如图乙中Ⅰ、Ⅱ图线所示，试回答下列问题。
(1)C点的轨迹在一个 上（选填“圆”“抛物线”或“椭圆”）。
(2)图线Ⅰ表示的是 处传感器的拉力（选填“P”或“Q”）。
(3)根据图像可求得交点的纵坐标为 N，物体的重力为 （用图中传感器的读数，及绳长L和两杆间距D表示）。
五、考点五：利用悬挂重物方式探究
5．某同学在学习了力的合成的知识之后，尝试利用居家物品验证力的平行四边形定则。他找到了一根橡皮筋，一块软木板，几盒规格相同的图钉，若干段轻绳，两个相同的轻质小塑料袋（重力可忽略）。
（1）该同学将软木板竖直放置，将一张白纸粘贴在软木板上，然后将橡皮筋上端用一枚图钉固定在软木板上的O点。如图所示，第一次将装有若干枚图钉的塑料袋用细线系在橡皮筋下端，稳定时，记录橡皮筋下端点的位置、袋内图钉数量。
（2）第二次，用两根细线系在橡皮筋的下端，并绕过两枚图钉A、B吊起两个装有若干枚图钉的塑料袋。调整袋内图钉数量和A、B位置，使橡皮筋下端 。
（3）关于这个实验下列说法正确的是
A．第二次实验时，只需要记录两个袋内图钉的数量
B．无需称出每个图钉质量，可以用袋内图钉数量代表细线拉力大小
C．此实验需要测出每次细线的拉力大小，所以应该称出每个图钉的质量
D．为了实验成功，第二次实验时应该使两个塑料袋内图钉数量相同
（4）某次实验时，橡皮筋的状态如图所示，那么下列调整可能正确的是
A．仅减少右侧袋内图钉数量
B．仅增加左侧袋内图钉数量
C．使A、B图钉各适当下移，并增加右侧袋内图钉数量
D．使A图钉上移，B图钉下移，并增加左侧袋内图钉数量
6．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F1、F2和F3，回答下列问题：
（1）改变钩码个数，实验能完成的是 (填正确答案标号)。
A.钩码的个数N1＝N2＝2，N3＝4
B.钩码的个数N1＝N3＝3，N2＝4
C.钩码的个数N1＝N2＝N3＝4
D.钩码的个数N1＝3，N2＝4，N3＝5
（2）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”）
（3）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.标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向
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.用天平测出钩码的质量
（4）在作图时，你认为图示中 (填“甲”或“乙”)是正确的。
7．某兴趣小组的同学为了验证“两个互成角度的力的合成规律”，设计了一个实验方案，在圆形桌子桌面上平铺一张白纸，在桌子边缘安装三个光滑的滑轮（滑轮上侧所在平面与桌面平行），滑轮固定，滑轮可沿桌边移动，如图所示。可供选择的实验器材有：刻度尺、三角板、铅笔、白纸、一根橡皮筋、三根细线、质量相同的钩码若干。部分实验操作步骤如下：
①将橡皮筋中央处和两端点分别与三根细线相连；
②将连在橡皮筋中央的细线跨过固定滑轮，连接橡皮筋两端点的细线分别跨过可动滑轮；
③在三根细线的下端分别挂上一定数量的钩码，使连在橡皮筋中央的细线与橡皮筋的结点静止。
（1）为完成本实验，下列物理量必须测量或记录的是 。（填选项前字母）
A.橡皮筋的原长 B.两端橡皮筋伸长后的长度
C.钩码的质量 D.三根细线所挂钩码的个数
（2）在完成本实验的过程中，下列操作或描述正确的是 。（填选项前字母）
A.连接像皮筋两端点的细线长度必须相同
B.细线必须在与夹角的角平分线上
C.记录图中点的位置和的方向
D.不改变所挂钩码的个数和的方向，改变与的夹角和钩码个数，重复实验，点不用在桌面上同一位置
（3）实验中，若桌面不水平， （填“会”或“不会”）影响实验的结论。
年份
试卷
分值
难度
2024
海南卷
12分
★★☆
2023
全国乙卷
6分
★☆☆
2022
浙江6月
7分
★☆☆
参考答案：
1．(1)4.00
(2)见解析
(3)能
【详解】（1）弹簧测力计的最小刻度为0.1N，根据弹簧测力计的读数规律，该读数为。
（2）根据图甲可知，竖直向下施加拉力的大小为3.50N，根据已选取的标度，在虚线方格纸上按力的图示要求，画出水平拉力和竖直拉力及其理论上的合力F，如图所示
（3）实验中撤去一个测力计，只对一个测力计施加拉力使结点回到O点，令这个为，可知，与共同作用的效果与单独作用的效果相同，则是与实验中的合力，根据实验可知，若与F在误差允许范围内相等，则验证了平行四边形定则，可知，本次实验中能验证力的平行四边形定则。
2． 3.00（2.99~3.01） 7.0 （6.8∼7.2均可） D
【详解】[1]由于弹簧测力计的分度值为,需要估读到分度值的下一位，故其读数为
[2]根据平行四边形定则作出力的图示，如图所示
[3]根据力的图示可知，重力的大小等于合力的大小，即
[4]作出如图所示的动态矢量三角形，可知弹簧测力计的示数先减小后增大（图中红色虚线的长度的变化）
D正确。
故选D。
3． 5.00 大小相等，方向相同
【详解】[1]由图可知弹簧测力计的读数为5.00N
[2]根据平行四边形法则作出、的合力，如图
[3]根据实验规律可知，合力在误差允许范围内都大小相等，方向相同，则说明一个力分解成两个力有多种分解方式，分力与合力的关系遵循平行四边形定则。
4．(1)椭圆
(2)Q
(3) 4.30
【详解】（1）椭圆是到两焦点距离之和等于常数的所有点的集合，题中为绳长L是常数，所以C点的轨迹是椭圆；
（2）图像中Ⅰ、Ⅱ交点即为两绳拉力相等的位置，此时选取结点C为研究对象，受力如下图所示，两段绳与杆的夹角分别为和，水平方向
当时
当C点继续向右移动如下图所示
增大，减小，水平方向还是有
由上式可知会增大，减小，结合题图，在图像相交后，Ⅰ线力大于Ⅱ线力，故Ⅰ线表示Q处传感器的力。
（3）[1] 图像中Ⅰ、Ⅱ交点可以读出此时P、Q处拉力都为。
[2] 此时CP、CQ与竖直方向的夹角相等延长QC到，由几何关系有
过Q作水平线与左杆交于A点，在中有
C点受力平衡有
整理得
5． 仍拉伸到 B C
【详解】（2）[1]为保证两次实验时橡皮筋的拉力保持不变，调整袋内图钉数量和A、B位置，使橡皮筋下端仍拉伸到。
（3）[2] A．第二次实验时，需要确定细线的方向和大小。故A错误；
BC．无需称出每个图钉质量，可以用袋内图钉数量代表细线拉力大小。故B正确；C错误；
D．为了实验成功，第二次实验时两个塑料袋内图钉数量适量即可，没有必要相等。故D错误。
故选B。
（4）[3] A．仅减少右侧袋内图钉数量，可以使橡皮筋与OO1重合，但橡皮筋的下端不会被拉到O1位置。故A错误；
B．仅增加左侧袋内图钉数，会使橡皮筋与OO1偏离的更多。故B错误；
C．使A、B图钉各适当下移，并增加右侧袋内图钉数量，可能使橡皮筋下端与O1重合，顺利完成实验。故C正确；
D．使A图钉上移，B图钉下移，并增加左侧袋内图钉数量，不会使橡皮筋下端与O1重合。故D错误。
故选C。
6． BCD 否 A 甲
【详解】（1）[1] OA、OB、OC分别表示三个力的大小，由于三共点力处于平衡，因此三个力的大小构成一个三角形，由于2、2、4不可以构成三角形，则结点不能处于平衡状态；其它选项中数值都可构成三角形，处于平衡状态。
故选BCD。
（2）[2]改变钩码个数，再次做实验时绳子的结点O不一定非得与上一次的结点重合，结点O改变时同样可以按照实验来验证力的平行四边形定则。
（3）[3]实验中需要记录各力的方向和大小及作用点，大小由钩码数得出，故在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是标记结点O的位置，并记录OA、OB、OC三段绳子的方向。
（4）[4]F3的方向一定竖直向下，由于测量误差F1和F2的合力方向可能偏离竖直方向，所以甲是正确的。
7． D CD##DC 不会
【详解】（1）[1]橡皮筋伸长后的拉力大小等于所挂钩码的重力，所以钩码的个数必须测量，又钩码质量相同，则不用测量钩码的质量，橡皮筋的原长和伸长后的长度不用测量。
故选D。
（2）[2]A．连接橡皮筋两端点的细线长度不影响橡皮筋的拉力大小，故长度不用相同，故A错误；
B．细线上力的方向与细线上两力的合力方向相反，由于上两力的合力方向是任意的，故不需要在角平分线上，故B错误；
C．实验中，需要测量和上力的大小和方向，故必须记录图中点的位置和的方向以及结点O静止时三根细线所挂钩码的个数，故C正确；
D．不改变所挂钩码的个数和方向，改变与的夹角重复实验，上的力大小保持不变，另两个力的合力只要跟它等大反向即可保持O点平衡，故O点的位置可以改变，故D正确。
故选CD。
（3）[3]若桌面不水平，三根线上的拉力大小也为各自所挂钩码重力大小，不会影响实验结论。