2023届高考物理加练必刷题（新高考版）第二章 微专题16　实验：探究两个互成角度的力的合成规律【解析版】

微专题16　实验：探究两个互成角度的力的合成规律

本实验方案有多种：橡皮筋和弹簧测力计、橡皮筋和钩码、全用橡皮筋或弹簧、全用钩码等．无论什么方案，本实验的核心是要理解合力和分力分别是哪些力，怎样确定合力、分力的大小和方向，怎样作力的平行四边形图形．本实验的基本方法是等效替代法．

1．(2022·重庆市南开中学高三月考)“探究力的平行四边形定则”实验如图甲所示，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．图乙所示是在白纸上根据实验结果画出的图．

(1)某次实验操作中，与细绳OC相连的弹簧测力计示数如图丙所示，则读数为________ N；

(2)图乙中的F与F′两力中，方向和细绳AO方向相同的是________(选填“F”或“F′”)；

(3)关于该实验，下列说法正确的是________．

A．本实验采用了“等效替代”的科学研究方法

B．选择细绳时，细绳OB、OC必须等长

C．操作中必须使得弹簧测力计、细绳与木板平面平行

D．作平行四边形时，两只弹簧测力计对应的力的标度可以不同

答案　(1)2.45(2.43～2.47均可)　(2)F′　(3)AC

解析　(1) 根据题意，弹簧测力计的精度为0.1 N，读数为2.45 N.

(2) F是通过作图的方法得到合力的理论值，而F′是用一个弹簧测力计沿AO方向拉橡皮筋，使橡皮筋伸长到O点，使得一个弹簧测力计的拉力与两个弹簧测力计的拉力效果相同，故方向一定沿AO方向的是F′.

(3)实验中采用了两个力的合力与一个力作用效果相同来验证的平行四边形定则，因此采用“等效替代”，A正确；

通过两细绳用两个弹簧测力计互成角度地拉橡皮筋时，并非要求两细绳等长，B错误；测量力的实验要求尽量准确，为了减小实验中因摩擦造成的误差，操作中要求弹簧测力计、细绳、橡皮筋都应与木板平行，C正确；作平行四边形时，两只弹簧测力计对应的力的标度需相同，D错误．

2.(2022·北京市首都师范大学附属中学高三月考)图甲是“验证力的平行四边形定则”实验中使用的部分器材，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．某同学进行的实验操作步骤如下：

a．在桌上放一块木板，用图钉把白纸钉在木板上；

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O点拴上两条细绳，细绳的另一端系有绳套；

c．将两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使结点O到达某一位置P，记录P点位置和两个弹簧测力计的示数F1和F2、两根细绳的方向；

d．只用一个弹簧测力计通过细绳套拉橡皮条，使结点O到达任一位置，并记录弹簧测力计的示数F、细绳的方向；

e．取下白纸，按选好的标度用铅笔和刻度尺作出拉力F的图示；按同一标度作出两个拉力F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边作平行四边形，画出它们所夹的对角线F′；

f．比较F′和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论．

(1)上述操作步骤存在错误的是________(选填步骤前的序号)．请在横线上写出正确的操作方法：________；

(2)其他两位同学正确完成了上述a到d各步骤后，分别取下做好标记的白纸A、B，如图乙所示．其中，最有利于减少实验作图误差的是________；(选填“A”或“B”)

(3)从白纸A中的标记可知，该同学在完成步骤c后，若要保持结点O仍然与P点重合且F1方向不变，同时增大F1、F2的夹角，则F1的大小将________(选填“增大”“减小”或“不变”)；

(4)在上述步骤f中，若发现力________(选填“F”或“F′”)的误差过大，则不能说明平行四边形定则的正确性．

答案　(1)d　使结点O到达位置P　(2)A　(3)增大　(4)F′

解析　(1)上述操作步骤存在错误的是d.正确的操作方法：使结点O到达位置P；

(2)A图中记录力方向的点距离P点较远，有利于减小确定力方向时产生的误差，故选A；

(3)保持结点O仍然与P点重合，则两个力的合力不变，且F1方向不变，同时增大F1、F2的夹角，则F1的大小将增大；

(4)在上述步骤f中，因F′是两个力合力的理论值，则若发现力F′的误差过大，则不能说明平行四边形定则的正确性．

3．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________．

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)在拆下钩码和绳子前，最重要的一个步骤是________．

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

(3)在作图时，你认为________(选填“甲”或“乙”)是正确的．

答案　(1)BCD　(2)A　(3)甲

解析　(1)实验中的分力与合力的关系必须满足：|F1－F2|≤F3≤F1＋F2(等号在反向或同向时取得)，因此B、C、D三项都是可以的．

(2)为验证平行四边形定则，先标记结点O的位置，作出力的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此要记录砝码的个数和记录OA、OB、OC三段绳子的方向，故A选项正确．

(3)以O点为研究对象，F3的实际作用效果在OC这条线上，由于误差的存在，F1、F2的理论值要与实际值有一定偏差，故甲图符合实际，乙图不符合实际．

4．某实验小组利用如图所示装置进行“验证力的平行四边形定则”实验．圆心为O的半圆形木板竖直固定，边缘处有滑道可以用来固定拉力传感器，将三根不可伸长的细线打结于P点，一根悬挂重物，另外两根分别与两拉力传感器A、B相连．实验操作步骤如下：

(1)先仅用传感器A拉住重物，调整细线PA的长度及传感器A的位置使得结点P与圆心O重合，记录传感器A的示数FO和________；

(2)再将传感器B固定于图示位置，仍保证________________，此时传感器A的位置调至A′处，记录两传感器A、B的示数分别为FA、FB，同时记录________和________；

(3)画出FO、FA、FB三力的图示，以FA、FB为邻边作出平行四边形，连接所夹对角线得到合力F，对比合力F与________的大小和方向得出实验结论．

(4)下列操作必要的是________．

A．细线PB必须水平

B．木板必须竖直且三根细线与木板平行

C．应使PA′与PB的夹角尽量大些

D．重复上述(1)(2)(3)操作步骤时重物的重量不可改变

答案　(1)力的方向　(2)P与O重合　FA的方向　FB的方向　(3)FO　(4)B

解析　(1)(2)(3)力的平行四边形定则实验中，必须记录合力的大小和方向，分力的大小和方向，保证分力和合力的作用效果相同，必须保证P与O重合，最后验证的是以FA、FB为邻边作出平行四边形得到合力F与FO大小和方向是否一致．

(4)B点位置可以随便确定，只要实验能较顺利完成即可，A错误；为了减小实验误差，木板必须竖直且三根细线与木板平行，B正确；应使PA′与PB的夹角适当，不是越大越好，C错误；重复上述(1)(2)(3)操作步骤时重物的重量可以改变，只要保证每次实验重物的重量不变即可，D错误．

5．小张同学通过下面操作探究求合力的方法：

①橡皮条的下端系上轻质小圆环，橡皮条的上端固定于O点．将圆心为O′并画有等间距同心圆的圆盘竖直置于O点下方(如图所示)；

②将一定滑轮安装到OO′的延长线上，装有沙子的小桶用细线绕过定滑轮悬挂在小圆环上，改变小桶内沙子的质量，使小圆环与同心圆的圆心位置重合，记录下此时OO′的方向及桶和沙子的质量m；

③将两只定滑轮A、B分别安装于圆盘的左、右两侧(滑轮位置可调整)，两个装有一定量沙子的小桶分别用细线绕过定滑轮A、B悬挂在小圆环上，记录下其质量mA和mB；

④通过调节两滑轮的位置来改变O′A、O′B的方向，使小圆环回到同心圆的圆心O′位置，记录下________；

⑤在圆盘上分别作出小圆环前后受到的三个拉力的图示，探究三者之间的关系．

(1)实验除需要橡皮条、定滑轮、细绳、沙和桶、画有等间距同心圆的圆盘和三角板等实验器材外，还需要________(选填“天平”“弹簧测力计”或“天平和弹簧测力计”)；

(2)步骤④中应记录下________；

(3)在同一次探究活动中，同心圆圆盘的位置________(选填“能”或“不能”)发生移动；

(4)某次实验中，定滑轮A放左侧，定滑轮B右侧，小圆环能回到同心圆圆心，则能找到的O′A与O′B的方向是________的(选填“唯一”或“不唯一”)，为减小实验误差，定滑轮应离圆心________(选填“远一些”或“近一些”)．

答案　(1)天平　(2)O′A与O′B的方向　(3)不能　(4)不唯一　远一些

解析　(1)由实验原理可知，要测量合力与分力的大小和方向，即要用天平测沙和沙桶的质量；

(2)根据探究合力分力的关系可知，通过调节两滑轮的位置来改变O′A、O′B的方向，使小圆环回到同心圆的圆心位置，记录下O′A、O′B的方向即两分力的方向；

(3)根据实验原理可知，要使合力与分力效果相同，则在同一次探究活动中，同心圆圆盘的位置不能发生移动；

(4)根据合力与分力效果相同，通过改变两分力大小，合力不变，则两分力的方向也随之改变，即O′A与O′B的方向是不唯一的，记录分力方向时，尽量使记录的两点距离远些，即定滑轮应离圆心远些．