2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(03)　探究两个互成角度的力的合成规律

这是一份2024年高考物理复习第一轮：创新实验课(03)　探究两个互成角度的力的合成规律，共11页。试卷主要包含了实验基本技能，规律方法总结等内容，欢迎下载使用。
实验基础知识一、实验基本技能1．实验目的(1)验证互成角度的两个共点力合成时遵循的平行四边形定则．(2)学会用作图法处理实验数据和得出实验结论．2．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，都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．3．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、铅笔．4．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，再重做两次实验．二、规律方法总结1．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，从而验证平行四边形定则．2．误差分析(1)读数误差减小读数误差的方法：弹簧测力计数据在条件允许的情况下，尽量大一些．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)作图误差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间的夹角越大，用平行四边形作出的合力F的误差ΔF就越大，所以实验中不要把F1、F2间的夹角取得太大．3．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)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°～100°之间为宜．(3)尽量减小误差①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．②细绳套应适当长一些，便于确定力的方向．(4)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．命题点一　实验原理与操作　某同学做“验证力的平行四边形定则”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)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：①有重要遗漏的步骤的序号是__________和________；②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)①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.②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.答案：(1)F′　(2)①C　E　②C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” 操作不忘“三”“二”“一”用两个弹簧测力计拉橡皮条时的“三记录”(记录两弹簧测力计示数、两细绳方向和结点O的位置)，用一个弹簧测力计拉橡皮条时的“二记录”(记录弹簧测力计示数和细绳方向)及“一注意”(结点O的位置必须在同一位置)．[对点演练]1．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)(多选)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．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．(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命题点二　数据处理与误差分析　(2022·云南昆明市“三诊一模”摸底诊断)某同学在“验证力的平行四边形定则”的实验中，利用以下器材：两个轻弹簧A和B、白纸、方木板、橡皮筋、图钉、细线、钩码、刻度尺、铅笔．实验步骤如下：(1)用刻度尺测得弹簧A的原长为6.00 cm，弹簧B的原长为8.00 cm.(2)如图甲所示，分别将弹簧A、B悬挂起来，在弹簧的下端挂上质量为m＝100 g的钩码，钩码静止时，测得弹簧A长度为6.98 cm，弹簧B长度为9.96 cm.取重力加速度g＝9.8 m/s2，忽略弹簧自重的影响，两弹簧的劲度系数分别为kA＝________ N/m，kB＝________ N/m.(3)如图乙所示，将木板水平固定，再用图钉把白纸固定在木板上，将橡皮筋一端固定在M点，另一端系两根细线，弹簧A、B一端分别系在这两根细线上，互成一定角度同时水平拉弹簧A、B，把橡皮筋结点拉到纸面上某一位置，用铅笔描下结点位置记为O.测得此时弹簧A的长度为8.10 cm，弹簧B的长度为11.80 cm，并在每条细线的某一位置用铅笔记下点P1和P2.(4)如图丙所示，取下弹簧A，只通过弹簧B水平拉细线，仍将橡皮筋结点拉到O点，测得此时弹簧B的长度为13.90 cm，并用铅笔在此时细线的某一位置记下点P，此时弹簧B的弹力大小为F′＝________ N(计算结果保留3位有效数字)．(5)根据步骤(3)所测数据计算弹簧A的拉力FA、弹簧B的拉力FB，在图丁中按照给定的标度作出FA、FB的图示，根据平行四边形定则作出它们的合力F的图示，测出F的大小为________ N(结果保留3位有效数字)．丁(6)再在图丁中按照给定的标度作出F′的图示，比较F与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：(2)根据胡克定律，两弹簧的劲度系数分别为kA＝＝ N/m＝100 N/mkB＝＝ N/m＝50 N/m.(4)弹簧B的弹力大小为F′＝kBΔxB′＝50×(0.139 0－0.08) N＝2.95 N.(5)由胡克定律可得：FA′＝kAΔxA′＝100×(0.081 0－0.06) N＝2.10 NFB′＝kBΔxB′＝50×(0.118 0－0.08) N＝1.90 N画出两个力的合力如图1所示，由图可知合力F≈2.90 N.图1(6)作出力的图示如图2所示图2答案：(2)100　50　(4)2.95　(5)见解析图1　2.90(2.80～2.95均可)　(6)见解析图2[对点演练]2．将橡皮条的一端固定在A点，另一端拴上两根细绳，每根细绳分别连着一个量程为5 N、最小刻度为0.1 N的弹簧测力计，沿着两个不同的方向拉弹簧测力计，当橡皮条的活动端拉到O点时，两根细绳相互垂直，如图甲所示．这时弹簧测力计的读数可从图中读出．(1)由图甲可读得两个相互垂直的拉力的大小分别为________N和________N.(2)在如图乙所示的方格纸上按作图法的要求画出这两个力及它们的合力．(3)图丙中a、b两图是两位同学得到的实验结果，其中哪一个图符合实际？__________.若合力测量值F′是准确的，则F与F′有误差的原因可能是哪些？________________________________________________________________________________________________________________________________________________.解析：(2)如图所示．(3)合力的测量值F′沿AO方向，故b图符合实际．F与F′有误差的原因：①弹簧测力计本身有误差；②读数误差；③作图误差．答案：(1)2.50　4.00(或4.00　2.50)　(2)见解析　(3)b图　见解析命题点三　创新拓展实验实验原理的创新实验器材的创新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.1．通过应用定滑轮，改变拉力的方向．2．钩码所受的总重力等于对应细绳拉力大小.1．电子秤代替弹簧秤，可以直接读出力的大小．2．同一电子秤应用于图(a)、(b)、(c)三幅图中，可得出三根细线中拉力的大小.　某实验小组用如图所示的器材验证“力的平行四边形定则”．在水平的圆形桌面上平铺一张白纸，在桌子边缘安装三个光滑的滑轮，其中，滑轮P1固定在桌子边，滑轮P2、P3可沿桌边移动．步骤如下：A．在三根轻绳下挂上一定数量的钩码，调整滑轮P2、P3的位置并使结点O静止；B．在白纸上描下O点的位置和三根绳子的方向，以O点为起点，用同一标度作出三个拉力的图示；C．以绕过滑轮P2、P3绳的两个力为邻边作平行四边形，作出以O点为起点的平行四边形的对角线，量出对角线的长度；D．检验对角线的长度和绕过滑轮P1绳拉力的图示的长度是否一样，方向是否在一条直线上．(1)第一次实验中，若一根绳挂的钩码质量为m，另一根绳挂的钩码质量为2m，则第三根绳所挂的钩码质量M应满足关系：______________．(2)第二次实验时，改变滑轮P2、P3的位置和相应绳上钩码的数量，使结点平衡，绳的结点________(选填“必须”或“不必”)与第一次实验中白纸上描下的O点重合．实验中，若桌面倾斜，________(选填“会”或“不会”)影响实验的结论．【解题方案】第1步：弄清实验目的：验证“力的平行四边形定则”．第2步：理清实验原理：三根轻绳弹力的合力为零，只要三个力经过平移后能组成封闭的三角形，说明力的合成遵循平行四边形定则．第3步：制定数据处理方案：轻绳的弹力等于砝码的重力，测出钩码重力，画出轻绳的方向，画出力的图示，以其中两个力为邻边画平行四边形，比较对角线和第三个力的关系．解析：(1)若一根绳挂的钩码质量为m，另一根绳挂的钩码质量为2m，则这两根绳子的拉力分别为：mg、2mg，两绳不共线，两根绳子拉力的合力F的范围是：2mg－mg<F<2mg＋mg，即mg<F<3mg；三力的合力为零，则第三根绳拉力范围为mg<F3<3mg，第三根绳挂的钩码质量M应满足：m<M<3m.(2)本实验不是先用一根绳拉，然后用两根绳去拉，使一根绳拉的作用效果与两根绳拉的作用效果相同，而是三根绳都直接拉结点O，所以O点的位置可以改变．若桌面不水平，绳中拉力仍等于钩码重力，对实验以及实验结论无影响．答案：(1)m<M<3m　(2)不必　不会[对点演练]3.(实验原理的创新)某实验小组用一个弹簧测力计和一个量角器等器材探究两个互成角度力的合成规律，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：Ⅰ.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；Ⅱ.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；Ⅲ.根据力的平行四边形定则计算绳套1的拉力大小F1′＝____①____；Ⅳ.比较____②____，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；Ⅴ.只改变绳套2的方向，重复上述实验步骤．回答下列问题：(1)完成实验步骤：①________；②________．(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．先减小后增大解析：(1)①由力的平行四边形定则计算绳套1的拉力F1′＝Ftan 30°＝F②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)①　②F1和F1′　(2)A4．(实验器材的创新)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所示，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所示．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4中作出，用平行四边形定则作出合力F′.图4(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________(填写“有”或“无”)影响．解析：(2)游标卡尺精确度为＝0.1 mm，读数为97 mm＋8×0.1 mm＝97.8 mm＝9.78 cm.则弹簧拉力的增加量为ΔF＝kΔx＝5.00×9.78×10－2 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，合力F′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．答案：(2)9.78　0.489　(3)见解析图　(4)无