2-5-实验三：验证力的平行四边形定则(讲)(全国通用)(解析版).docx

第二章 相互作用

近5年考情分析

考点要求

等级要求
考题统计
2022
2021
2020
2019
2018
三种常见的力
Ⅰ
浙江1月卷·T4

力的合成与分解
Ⅱ
浙江1月卷·T5
浙江6月卷·T10
广东卷·T1
湖南卷·T5
广东卷·T3
Ⅲ卷·T17
Ⅱ卷·T16
Ⅲ卷·T16

受力分析、共点力的平衡
Ⅱ
浙江1月卷·T7
浙江6月卷·T3
湖南卷·T5
Ⅰ卷·T19
浙江卷·T9

实验二：探究弹力与弹簧伸长的关系

湖南卷·T11
广东卷·T11

Ⅰ卷·T22
实验三：验证力的平行四边形定则

浙江6月卷·T17

核心素养
1.物理观念:对力学中三种力的理解及认识。
2.科学思维
(1)绳上的“活结”与“死结”问题(2)解决动态平衡问题的二种方法
3.科学态度与责任(1)生活中的平衡(2)非共面力作用下物体的平衡
4.科学探究：观察、论证、交流弹力与弹簧伸长量的关系
命题规律
高考对本章的考查呈现出如下特点:
1.选择单个物体或多个物体为研究对象，进行受力分析，充分考虑各力的产生条件和应用范围。利用合成法或分解法对力进行处理，应用平衡条件，建立等式求解
2.考查考生对本章知识的理解和掌握情况的同时，考查考生的情景分析能力，理解
与反思质疑的能力，提取信息进行物理图景建构的能力，应用基本规律分析、推理和计算的能力，科学探究能力
3.考查内容主要体现物理学科的核心素养中运动与相互作用观念、模型建构和科学推理要素.
备考策略
1.本章涉及的知识是高中物理的重要基础，包含许多思想方法，它的应用几乎贯穿整个高中物理。所以，不能因为本章内容独立考查的较少而有所忽视，恰恰相反，一定要下大力气扎扎实实地学好本章的知识与方法，形成解决物理问题的基本思路。在本章复习过程中多耗一些时间和精力是值得的。
2.牢记基知识，熟练掌握基本方法，明确基本题型尽量多地积累不同物体，不
同环境、不同运动形式下的应用类型及有效解决问题的方法。明确物体的平衡条件、临界条件，掌握好函数法、图象法、极限法、隔离法、整体法等解题方法。利用好力的合成法、分解法、相似三角形法、矢量三角形法、正交分解法处理力的矢量问题。

【网络构建】

专题2.5 实验三：验证力的平行四边形定则

【网络构建】

考点一 基本要求
一、实验目的
1．验证互成角度的两个共点力合成时的平行四边形定则．
2．培养应用作图法处理实验数据和得出结论的能力．
二、实验原理
互成角度的两个力F1、F2与另外一个力F′产生相同的效果，看F1、F2用平行四边形定则求出的合力F与F′在实验误差允许范围内是否相等．
三、实验器材
木板、白纸、图钉若干、橡皮条、细绳、弹簧测力计两个、三角板、刻度尺．
四、实验步骤
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，再重做两次实验．
考点二 方法规律
一、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只弹簧测力计的拉力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4中弹簧测力计的拉力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．
二、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°之间为宜．
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，去掉细绳套后，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，使所作力的图示稍大一些．
三、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越大，用平行四边形定则作图得出的合力F的误差ΔF也越大．

高频考点一 基本要求
例1、某学生实验小组设计了一个“验证力的平行四边形定则”的实验，装置如图甲所示，在竖直放置的木板上部附近两侧，固定两个力传感器，同一高度放置两个可以移动的定滑轮，两根细绳跨过定滑轮分别与两力传感器连接，在两细绳连接的结点O下方悬挂钩码，力传感器1、2的示数分别为F1、F2，调节两个定滑轮的位置可以改变两细绳间的夹角．实验中使用若干相同的钩码，每个钩码质量均为100 g，取g＝9.8 m/s2.

(1)关于实验，下列说法正确的是________．
A．实验开始前，需要调节木板使其位于竖直平面内
B．每次实验都必须保证结点位于O点
C．实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向
D．实验时还需要用一个力传感器单独测量悬挂于O点钩码的总重力
(2)根据某次实验得到的数据，该同学已经按照力的图示的要求画出了F1、F2，请你作图得到F1、F2的合力F(只作图，不求大小)，并写出该合力不完全竖直的一种可能原因
________________________________________________________________________．
【答案】：(1)AC　(2)如解析图所示　定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等(回答出一项合理答案即可)
【解析】：(1)实验开始前，需要调节木板使其位于竖直平面内，以保证钩码重力等于细线中的拉力，选项A正确；该装置每次实验不需要保证结点位于O点，选项B错误；实验时需要记录钩码数量、两力传感器的示数和三细绳的方向，选项

C正确；悬挂于O点钩码的总重力可以根据钩码的质量得出，不需要力传感器测量，选项D错误．
(2)利用平行四边形定则作出F1和F2的合力F.该合力方向不完全在竖直方向的可能原因是定滑轮有摩擦、木板未竖直放置等．
【变式训练】某同学在做“验证平行四边形定则”的实验中，遇到了以下问题，请帮助该同学解答。
(1)物理学中有很多物理方法，本实验采用的是________。
A．类比实验法 B．等效替代法
C．控制变量法 D．极限法
(2)在做实验之前，该同学发现有一只弹簧测力计如图甲所示，则在使用前应该对弹簧测力计________。

(3)如图乙所示的四个力中，力________(填图中字母)是由一只弹簧测力计直接拉橡皮筋测得的。
(4)该同学已经作出了两个分力的力的图示，如图丙所示，方格中每边的长度表示0.5 N，请帮助该同学用作图法作出合力F的图示，并求出合力的大小为________ N。(结果保留两位有效数字)
【答案】　(1)B　(2)调零　(3)F′　(4)图见解析　3.5
【解析】　(1)该实验采用的方法是等效替代法，B正确。
(2)由题图甲可知，弹簧测力计指针不在零刻度线处，故在进行测量前应先对弹簧测力计进行调零，使指针指在零刻度线处。
(3)F′与橡皮筋在同一条直线上，是由一只弹簧测力计直接拉橡皮筋测得的。
(4)以F1、F2为邻边，作出平行四边形，如图所示。由图可知，合力为F＝7×0.5 N＝3.5 N。

高频考点二 方法规律
例2、实验小组探究“二力合成规律”的过程。
(1)首先进行如下操作：
①如图甲，轻质小圆环挂在橡皮条的一端，另一端固定，橡皮条的长度为GE；
②如图乙，用手通过两个弹簧测力计共同拉动小圆环。小圆环在拉力F1、F2的共同作用下，位于O点，橡皮条伸长的长度为EO；
③撤去F1、F2，改用一个力F单独拉住小圆环，仍使其位于O点，如图丙。

同学们发现，力F单独作用与F1、F2共同作用的效果是一样的，都使小圆环在O点保持静止。由于两次橡皮条伸长的长度相同，即__________，所以F等于F1、F2的合力。
(2)然后实验小组探究了合力F与分力F1、F2的关系：
①由纸上O点出发，用力的图示法画出拉力F1、F2和F(三个力的方向沿各自拉线的方向，三个力的大小由弹簧测力计读出)；
②用虚线将拉力F的箭头端分别与F1、F2的箭头端连接，如图丁，得到的启示是____________________；
③多次改变拉力F1、F2的大小和方向，重做上述实验，通过画各力的图示，进一步检验所围成的图形。实验小组发现：在两个力合成时，以表示这两个力的有向线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的对角线就代表合力的大小和方向，这个规律叫做____________。
上述实验中，如果把图乙和图丙的操作顺序对调，即先用拉力F将圆环拉到O点，再用拉力F1和F2共同拉圆环产生相同效果，则F1和F2就是F的______________，此实验可以探究__________规律。
【答案】　(1)橡皮条对小圆环的拉力相同　
(2)②可构成平行四边形　③平行四边形定则　分力　力的分解
【解析】　(1)两次橡皮条伸长的长度相等，即两次橡皮条对小圆环的拉力相同，说明单个力F的作用效果与F1、F2共同作用的效果相同。
(2)②用虚线将拉力F的箭头端分别与F1、F2的箭头端连接，可构成平行四边形，F1和F2为邻边，F为与F1和F2共顶点的对角线；③多次改变拉力F1、F2的大小和方向，重做上述实验，在两个力合成时，以表示这两个力的有向线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的对角线就代表合力的大小和方向，这个规律叫做平行四边形定则。如果把图乙和图丙的操作顺序对调，即先用拉力F将圆环拉到O点，再用拉力F1和F2共同拉圆环产生相同效果，则F1和F2就是F的分力，此实验可以探究力的分解规律。
【变式训练】“验证力的平行四边形定则”的实验情况如图甲所示，其中A为固定橡皮筋的图钉，O为橡皮筋与细绳的结点，OB和OC为细绳．图乙是在白纸上根据实验结果画出的图．
(1)图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是________．

(2)某同学在做该实验时认为：
A．拉橡皮条的细绳长一些，实验效果较好
B．拉橡皮条时，弹簧秤、橡皮条、细绳应贴近木板且与木板平面平行
C．橡皮条弹性要好，拉结点到达某一位置O时，拉力要适当大些
D．拉力F1和F2的夹角越大越好
其中不正确的是________________(填入相应的字母)．
【答案】：(1)F′　(2)D
【解析】：(1)F是通过作图的方法得到合力的理论值，在平行四边形的对角线上，而F′是通过一个弹簧秤沿AO方向拉橡皮条，使橡皮条伸长到O点，其方向一定沿AO方向．
(2)在实验中要减小拉力方向的误差，应让标记同一细绳方向的两点尽量远些，故细绳应该长一些，故A正确；作图时，我们是在白纸中作图，做出的是水平力的图示，若拉力倾斜，则作出图的方向与实际力的方向有较大差别，故应使各力尽量与木板平面平行，故B正确；拉力越大，则读数中出现的相对误差越小，故拉力应适当大些，故C正确；两个拉力的夹角过大，合力会过小，量取理论值时相对误差变大，故D错误．
例3、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“>”、“<”或“=”）。

【答案】     B     弹簧测力计使用前应水平调零     应把橡皮筋的结点拉到同一位置     相同     =
【解析】
（1）[1]研究共点力的合成是保证两个力拉橡皮筋的效果和一个力拉橡皮筋的效果相同，故采用了等效替代法，故选B；
（2）[2]两只弹簧测力计使用前指针没有指到零刻度先，则步骤①中遗漏的内容为弹簧测力计使用前应水平调零；
[3]为了保证两次拉动橡皮筋的效果相同，则②步骤中遗漏的内容应把橡皮筋的结点拉到同一位置；
（3）[4]过O点作一条直线与轨迹交于a、b两点，橡皮筋的拉力沿橡皮筋收缩的方向，则两次实验中橡皮筋的拉力方向相同；
[5]由于缓慢地移动P，结点始终处于平衡，而所受重力不变，而橡皮筋的拉力方向不变，由力的三角形规律可得Fa、Fb的大小关系为

【变式训练】在“探究求合力的方法”实验中，现有木板、白纸、图钉、橡皮筋、细绳套和一把弹簧测力计。
（1）为完成实验，某同学另找来一根弹簧，先测量其劲度系数，得到的实验数据如下表：
弹力

伸长量

根据表中数据在下图中做出图像______，并求得该弹簧的劲度系数______；（保留二位有效数字）

（2）某次实验情况如图甲所示，其中为固定橡皮条的图钉，为橡皮条与细绳的结点，和为细绳。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，图乙中的与两力中，方向一定沿方向的是_________ （填“”或“”）。
②在实验中，如果将细绳也换成橡皮筋，那么实验结果______发生变化。（选填“会”或“不会”）
③本实验中以下说法正确的是( )
A．两根细绳必须等长
B．橡皮条应与两绳夹角的平分线在同一直线上
C．在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行
D．实验中，把橡皮条的另一端拉到点时，两个弹簧测力计之间夹角必须取90°
【答案】    
     54          不会     C
【解析】
（1）[1]根据表格数据描点，并做出图像，如图所示

[2] 由图像可得该弹簧的劲度系数为

（2）①[3]由图乙可知为通过平行四边形定则得到的合力，可能存在误差，而为实验时将橡皮筋拉到时所用的力，其方向必和在同一直线上；
②[4]在实验中，如果将细绳也换成橡皮筋，不会影响分力的大小和方向，故实验结果不会发生变化；
③[5]
A．两根细绳不需要等长，A错误；
B．橡皮条不一定与两绳夹角的平分线在同一直线上，B错误；
C．在使用弹簧测力计时要注意使弹簧测力计与木板平面平行，C正确；
D．实验中，把橡皮条的另一端拉到点时，两个弹簧测力计之间夹角大小适当即可，不一定取90°，D错误；
故选C。
例4、某物理兴趣小组的同学现利用如图所示的装置来做“验证力的平行四边形定则”实验，其中OB为橡皮筋。

（1）下列实验要求正确且必要的是___________。（填序号）
A．读弹簧测力计示数时需要正视测力计的刻度
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
（2）如图所示是甲、乙两位同学在做本实验时得到的结果，其中为用一个弹簧测力计拉橡皮筋时所受到的拉力，则其中___________（选项“甲”或“乙”）同学测得的实验结果比较符合实验事实。
（3）某次实验中两弹簧测力计的夹角为一钝角后，立即固定弹簧测力计a不动，保持O点不动且橡皮筋一直处于竖直方向，然后缓慢增大两弹簧测力计之间的夹角，则在这一过程中弹资测力计b的示数将_______（选以“变大”“变小”或“不变”）
【答案】     ABC     甲     变大
【解析】
（1）[1]A．读取弹簧测力计的示数，视线要与刻度面垂直，即正视刻度线，故A为必要的；
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，故B项也需要；
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，故C项也需要；
D．只需要两次拉橡皮条时，将结点拉到同一位置，改变拉力后，也需两次将结点拉到同一位置，但不需要改变拉力多次实验均到同一位置，故D项不需要。
故选ABC；
（2）[2]实际的合力应该与橡皮筋在同一条直线上，即用一根弹簧测力计的拉力与橡皮筋在同一直线上，而理论值（通过平行四边形定则作出的合力）不一定与橡皮筋的重合，所以甲同学的图示比较符合实际；
（3）[3]实验中两弹簧测力计的夹角为一钝角后，立即固定弹簧测力计a不动，保持O点不动且橡皮筋一直处于竖直方向，即合力F保持不变，且分力Fa的方向不变，若设Fb与合力F的夹角为θ，则
Fbcosθ=F
则当缓慢增大两弹簧测力计之间的夹角时，θ角也变大，则Fb变大。
【变式训练】某同学用图甲所示装置做“探究求合力的方法”实验。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。

（1）要减小实验误差，下列措施可行的是( )
A．两个分力的大小要适当大些                  
B．两个分力间的夹角要尽量大些
C．拉橡皮筋的细绳要细些且要稍短一些                 
D．标记细绳方向的点要尽量离结点近些
（2）若实验中弹簧测力计的量程均为5N，某次实验用两个弹簧测力计拉橡皮筋时，两个绳套间的夹角为60°，两弹簧测力计的示数恰好均如图乙所示，弹簧测力计的示数为________N，你认为这次操作____________（填“合适”或“不合适”），原因是____________
（3）某次实验的结果如图丙所示，这次实验刚好垂直，若在图丙所示的实验结果中，保持结点的位置的方向不变，将两个分力的夹角增大，则_________（填“变大”“变小”或“不变”），___________（填“变大”“变小”或“不变”）。
【答案】     A     3.6     不合适     两个分力的合力大于弹簧测力计的量程，当用一个弹簧测力计拉橡皮筋时将无法操作     变大     不变
【解析】
（1）[1]A．为了减小读数误差，应让两力适当大些，故A正确；
B．两个分力、间的夹角不宜过大或过小，那样作图不方便，容易产生误差，故B项错误；
CD．为了准确记下拉力的方向，故采用两点描线时两点应尽量距离大一些，细绳应长些，故CD错误。
故选A。
（2）[2]弹簧测力计的示数为3.6N。
[3]这次操作不合适。
[4]因为当与大小都为3.6N．且夹角为60°时，两个力的合力大小为

即F超过了弹簧测力计的量程，当用一个弹簧测力计拉橡皮筋时将无法操作。
（3）[5][6]结点的位置不变，合力不变，即不变，方向不变，增大两个分力夹角．由图示可知，均增大。