专项01 探究合力与分力的关系 (解析版)-2021届高考物理实验专项突破

2021 届高考物理实验专项突破--探究合力与分力的关系 1．（2021·北京丰台区·高三一模）在“探究两个互成角度的力的合成规律”实验中，桌上放一块方木板，用 图钉把一张白纸钉在方木板上。再用图钉把橡皮条一端固定在板上的 A 点。在橡皮条另一端拄上两条细绳 形成结点，细绳的另一端系着绳套。先用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条；再用一个 弹簧测力计通过细绳套拉橡皮条。 （1）判断力 F 单独作用与力 F1、F2 共同作用效果相同的依据是 ___________ A．F 的大小等于 F1 与 F2 的大小之和 B．使橡皮条伸长相同的长度 C．使橡皮条上的结点到达同一位置 （2）实验中需要标记或者记录的信息有 ___________ A．橡皮条的原长 B．橡皮条原长时结点的位置 C．力 F 的大小和方向 D．力 F1、F2 的大小和方向 （3）下列措施可以减小实验误差的是 ___________ A．橡皮条应与两绳套夹角的平分线在同一直线上 B．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，两个绳套的夹角必须等于 90° C．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，弹簧测力计尽量与木板平行 D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些 【答案】C CD CD 【详解】（1）[1]判断力 F 单独作用与力 F1、F2 共同作用效果相同的依据是使橡皮条上的结点到达同一位 置，表示力的大小与方向都是相同的，选项 C 正确； （2）[2]实验中需要标记或者记录的信息有力 F 的大小和方向及力 F1、F2 的大小和方向，以便于画出它们 的力的图示并加以比较，选项 CD 正确； （3）[3]C．可以减小实验误差的是用两个弹簧测力计拉橡皮条时，弹簧测力计尽量与木板平行，选项 C 正确； D．拉橡皮条的细绳要长些，标记同一细绳方向的两点要远些，以便于标出拉力的方向来，选项 D 正确； A．而橡皮条不一定要与两绳套夹角的平分线在同一直线上，选项 A 错误； B．用两个弹簧测力计拉橡皮条时，两个绳套的夹角不必要等于 90°，选项 B 错误。 故选 CD。 2．（2021·浙江衢州市·高三二模）（1）图 1 中，“探究求合力的方法”、“研究平抛运动”两实验均需使用的 器材是_______（填写器材名称） （2）在“探究求合力的方法”实验中，通过对拉的方法来选择两个弹簧秤，方案一∶两弹簧秤竖直悬挂在铁 架台上对拉（图 2），方案二∶两弹簧秤置于水平桌面对拉（如图 3），下列说法正确的是_________（多选） A．弹簧秤使用前必须进行调零 B．实验时，两个弹簧秤的量程需一致 C．若方案一的两弹簧秤读数相等，则可正常使用 D．若方案二的两弹簧秤读数相等，则可正常使用 （3）在“探究求合力的方法”的实验中，某实验小组使用的弹簧秤量程为 5.00N，将橡皮条一端固定，先用 两只弹簧秤将橡皮条另一端拉到某一位置，标记为 O 点，紧靠细绳标记 A、B 两点，并记录弹簧秤读数∶ 然后用一只弹簧秤将其拉至 O 点，标记紧靠细绳的 C 点，并记录弹簧秤读数，该小组完成的部分实验数据 记录在图 4 中。 ①按实验要求完成作图；（____） ②结合图 4，分析实验过程与结果，下列措施对减小实验误差有益的是____________（多选） A．适当增加橡皮筋的原长 B．适当增大两细绳的夹角 C．增大 A、B 两点到 O 点的距离 D．增大弹簧秤的拉力 【答案】刻度尺 AD 见解析 BC 【详解】（1）[1] “探究求合力的方法”中，需要使用刻度尺做力的图示，“研究平抛运动”的实验中，需要使 用刻度尺测量物体的位移，即两个实验中都要使用刻度尺； （2）[2]弹簧秤在使用前必须进行调零；实验中使用的两个弹簧秤，其量程可以不同；方案一中竖直悬挂 时，上面的弹簧由于自身重力作用而弹力偏大，下面的弹簧由于自身重力作用而弹力偏小，若两弹簧秤读 数相等，则水平测量拉力时读数必然不同，所以不能使用；若方案二的两弹簧秤读数相等，则可正常使用； 故选 AD。 （3）[3] 作图如下： （3）[4]增加橡皮筋的原长对实验没有影响；图中两分力的夹角较小，根据平行四边形的特点，适当增大 两细绳的夹角，可以使作图更精确，从而减小实验误差；绳子的作用是显示出力的方向，增大 A、B 两点 到 O 点的距离，可以提高分力方向的精确度，从而减小实验误差；弹簧秤的量程为 5.00N，图中合力已经 达到了 4.80N，所以不能再增大弹簧秤的拉力；故选 BC。 3．（2021·辽宁铁岭市·高三一模）根据“验证力的平行四边形定则”的实验解决下面的问题 （1）本实验采用的科学方法是_______（填正确答案标号）。 A．理想实验法 B．等效替代法 C．控制变量法 D．建立物理模型法 （2）图中弹簧秤读数为________N。 （3）某同学的实验结果如图所示，其中 A 为固定橡皮条的图钉，O 为橡皮条与细绳结点的位置。图中_______ 是力 1F 与 2F 合力的理论值；_______是力 1F 与 2F 的合力的实验值（填“F”或“ F ”）。 【答案】B 2.49N-2.51N F F 【详解】（1）[1]两个力的作用效果和一个力的作用效果相同，所以本实验采用的是等效替代法 故选 B。 （2）[2]弹簧秤读数为 2.50 N（2.49-2.51 N 也对） （3）[3]F1 与 F2 合成的理论值是通过平行四边定则算出的值，故为 F。 [4] F1 与 F2 合成的实际值是单独一个力拉 O 点时的值，与 AO 共线，故为 F 。 4．（2021·浙江高三其他模拟）如图所示，某同学在家中尝试验证力的平行四边形定则，他找到三根完全相 同的橡皮条（遵循胡克定律），三角板，刻度尺，白纸，方木板，几枚图钉，细绳，并设计了如下实验。 （1）将三根橡皮条两端各拴接一根相同的细绳，用刻度尺测出橡皮条的原长，记为 0L 。 （2）将三根橡皮条一端的细绳拴在同一结点上，另一端的细绳分别拴在三个图钉上。 （3）将白纸固定在方木板上，互成角度地拉伸三根橡皮条，并在白纸上分别固定三枚图钉，如图所示。 记下结点位置 O 和___________，分别测出三根橡皮条的长度，记为 1L 、 2L 、 3L 则三根橡皮条的拉力大 小之比为___________。 （4）取下器材，用铅笔和刻度尺从 O 点沿着三根橡皮条的方向画直线，按照一定的标度作出三根橡皮条 对结点O 的拉力 1F 、 2F 、 3F 的图示，用平行四边形定则求出 1F 、 2F 的合力 F 。改变三枚图钉的位置重 复实验。 （5）若测量发现 F 与 3F 在同一直线上，大小接近相等，则实验结论为___________。本实验采用的科学 方法是___________（填“理想实验法”或“等效替代法”）。 【答案】三根橡皮条伸长的方向      1 0 2 0 3 0: :L L L L L L   在实验误差允许的范围内，力的 合成遵循力的平行四边形定则 等效替代法 【详解】(1)[1]要作出力的图示，需要记录分力的大小和方向，所以在白纸上记下结点 O 的位置的同时， 也要记录三根橡皮条伸长的方向； [2]三根橡皮条的拉力大小之比等于三根橡皮条的伸长量之比，即为      1 0 2 0 3 0: :L L L L L L   (5)[3]结点O 受三个力的作用处于平衡状态，所受合力为零，则实验结论为在实验误差允许的范围内，力 的合成遵循力的平行四边形定则； [4]在“验证力的平行四边形定则”实验中，运用了合力的作用效果和分力的作用效果相同这一原理进行实验， 故采用了等效替代法。 5．（2021·浙江高三其他模拟）在“探究求合力的方法”的实验中，小明和小刚用了两个量程为10 N 、最小 刻度为 0.1 N 的弹簧测力计来测量拉力。实验之前他们先对弹簧测力计进行了调零，然后进行实验步骤：a。 将橡皮条的一端固定在水平放置的木板上，b。用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条， 使结点到达某一位置O ，记录下O 点的位置和拉力 1F 、 2F 的大小，c。然后用一个弹簧测力计拉橡皮条， 仍将结点拉到 O 点，再记录拉力 F 的大小及方向，d。然后取下白纸作图，研究合力与分力的关系。 ①弹簧测力计使用前进行调零，应采取的方式是___________（填“甲”或“乙”）； ②实验过程中有一处有错误或遗漏，请指出并改正___________； ③在实验之余，小明和小刚把两弹簧测力计竖直对挂并拉伸（在弹性限度内）来研究作用力和反作用力的 关系，发现上面弹簧测力计的读数大于下面弹簧测力计的读数，倒置后也是上面的读数大于下面的，产生 这种现象的原因是___________。 【答案】甲 步骤 b 有遗漏，应该记录 1F ， 2F 的大小和方向 弹簧测力计竖直时由于弹簧自身重力 的影响 【详解】①[1]实验过程中弹簧测力计是水平拉伸的，因此调零时也要水平，故选甲。 ②[2]应该记录 1F 、 2F 的大小和方向。 ③[3]弹簧测力计竖直时由于弹簧自身重力的影响，上、下两个弹簧测力计读数会不一样。 6．（2021·山东高三专题练习）某同学利用三个完全相同的弹簧测力计进行验证力的平行四边形定则实验， 将弹簧测力计丙固定在水平面上，然后将弹簧测力计甲、乙挂在细绳套上。 （1）某次实验时，弹簧测力计甲、乙沿水平方向将结点拉至图 a 中的O 点，弹簧测力计甲和丙垂直，弹 簧测力计甲和乙的夹角为 120°，弹簧测力计甲、乙的读数分别为 2.0N 、 4.0N ，弹簧测力计丙的示数如 图b 所示，则弹黄测力计丙的读数为___________ N 。 （2）在进行数据处理时，发现某次实验甲、丙合力方向与乙的拉力方向接近共线，但乙的示数大于甲、 丙合力的大小，造成这种现象的原因可能是___________。 （3）操作时用刻度尺测出弹簧测力计乙 4.0N 刻度线到零刻度线的距离为8.0cm ，则弹簧测力计乙中弹簧 的劲度系数为 k  ___________ N/ m。（结果保留整数） 【答案】3.5 可能乙与甲、丙不在同一平面内（合理即可） 50 【详解】 (1)[1]由弹簧测力计的读数规则和力的合成规则可知，弹簧测力计丙的读数为 3.5N 。 (2)[2]甲、丙合力方向和乙的拉力方向接近共线，大小不同，O 点静止，乙的示数大于甲、丙合力大小， 说明乙的拉力可能在竖直方向存在分力，可能乙与甲、丙不在同一平面内。 (3)[3]弹簧测力计乙的 4.0N 刻度线到 0 刻度线的距离为8.0cm ，则说明弹簧测力计乙的伸长量为8.0cm ， 则弹簧测力计乙中弹簧的劲度系数为 4.0 N / m 50N / m0.08 Fk x    7．（2021·辽宁鞍山市·高三其他模拟）做“验证力的平行四边形定则”实验，在圆形透明桌面上平 铺一张白纸，在桌子边缘安装三个光滑的滑轮，如图所示，其中滑轮 1P 固定在桌子边，滑轮 2P 、 3P 可沿 桌边移动，第一次实验中，步骤如下： A．在三根轻绳下挂上一定数量的钩码，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，作出三个拉力的图示； C．以绕过 2P 、 3P 绳的两个拉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 1P 绳拉力的图示的长度是否一样，方向是否在一条直线上。 (1)这次实验中，若一根绳挂的钩码质量为 m ，另一根绳挂的钩码质量为 2m ，则第三根绳挂的钩码质量 M 大小的范围是___________（用含 M 、 m 的不等式表示）； (2)第二次实验时，改变滑轮 2P 、 3P 的位置和相应绳上钩码的数量，使结点平衡，绳的结点___________ （填“必须”或“不必”）与第一次实验中白纸上描下的O 点重合； (3)实验中，若桌面不水平，___________（选填“会”或“不会”）影响实验的结论；绳与滑轮的摩擦对实验 结果___________（选填“有”或“没有”）影响。 【答案】 3m M m  不必 不会 有 【详解】(1)[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，则两绳子的拉力分别为 mg、2mg， 两绳子的拉力的合力 F 的范围是 2mg-mg≤F≤mg＋2mg 即 mg≤F≤3mg 三力的合力为零，则第三根绳挂的钩码质量在 m~3m 之间，即第三根绳挂的钩码质量 3m M m  (2)[2]本实验不是先用一根绳拉结点，然后用两根绳去拉结点，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 O 点，所以 O 点的位置可以改变； (3)[3][4]若桌面不水平，绳子的拉力仍等于下挂砝码的重力，不会影响实验的结论；若某一滑轮与绳间存 在较大摩擦力，则绳的拉力不再等于钩码重力，对实验结论会有影响。 8．（2021·湖南长沙市·长郡中学高三二模）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 TOA、TOB 和 TOC，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 = 3 B．钩码的个数 N1 = N3 = 3，N2 = 6 C．钩码的个数 N1 = N2 = N3 = 5 D．钩码的个数 N1 = 3，N2 = 4，N3 = 9 （2）在拆下钩码和绳子前，必要的步骤是__________。 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．记录钩码的个数 N1、N2、N3 E．用天平测出钩码的质量 （3）在作图时，你认为下图中是正确的__________。（填“甲”或“乙”） 【答案】AC AD 甲 【详解】（1）[1]A．对 O 点受力分析，如下图所示 OA、OB、OC 分别表示三个力的大小，由于三共点力处于平衡，所以 OC 等于 OD。因此三个力的大小构 成一个三角形。2、2、3 可以构成三角形，则结点能处于平衡状态，A 正确； B．3、3、6 不可以构成三角形，则结点不能处于平衡，B 错误。 C．5、5、5 可以构成三角形，则结点能处于平衡，C 正确； D．3、4、9 不可以构成三角形，则结点不能处于平衡，D 错误。 故选 AC。 （2）[2]为验证平行四边形定则必须作受力图，所以先明确受力点，即标记结点 O 的位置，其次要作出力 的方向并读出力的大小，最后作出力的图示，因此要做好记录，是从力的三要素角度出发，要记录砝码的 个数和记录 OA、OB、OC 三段绳子的方向。 故选 AD。 （3）[3]以 O 点为研究对象，F3 的是实际作用效果在 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。 9．（2021·全国高三课时练习）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，将已测量好的劲度系数 k 为 5.00N/m 的弹簧悬挂在支架上，在弹箦挂钩上用细线悬 挂小钩码做为铅垂线，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 2.钩码组 mA=40g，钩码组 mB=30g，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 =36.9°，  =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 9.80m/s2。 (3)请将第(2)步中的实验数据用力的图示的方法在图框中做出，用平行四边形定则做出合力 F′________。 (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。 【答案】 9.78 0.489 无 【详解】(2)[1]游标卡尺精度为 1mm 0.1mm10  ，读数为97mm 8 0.1mm 97.8mm 9.78cm    [2]则弹簧拉力的增量为 25 9.78 10 N 0.489NF k x        。 (3)[3]根据题意可知 OA 绳产生的拉力为 340 10 9.8N 0.392NOA AF m g      ， OB 绳产生的拉力为 330 10 9.8N 0.294NOB BF m g      ，力的合成如图 (4)[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。 10．（2021·天津高三一模）在“探究两个互成度的力的合成规律”的实验中，提供了以下器材：薄木板一块， 量程为 5N 的弹簧测力计两个，橡皮条（带有两个较长的细绳套），白纸，刻度尺，图钉若干个。 (1)关于实验及操作建议，正确的有______； A．两个测力计示数必须相同 B．用两个测力计拉橡皮条时必须互成 90° C．读数时视线应正对测力计刻度 D．拉橡皮条时，测力计、橡皮条、细绳必须与木板平面平行 (2)某次测量时测力计的示数如图所示，则其读数为______N； (3)某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 小及表示力的方向的点，如下图所示。其中最能提高实验精度且符合实验事实的是______。 A． B． C． D． 【答案】CD 3.00 C 【详解】(1)[1]A．两个测力计测量两条细绳上的拉力，示数不必相同，A 错误； B．用两个测力计互成角度拉橡皮条，不需要刻意互成 90°，B 错误； C．读数时视线应正对测力计刻度，减小误差，C 正确； D．拉橡皮条时，测力计、橡皮条、细绳必须与木板平面平行，D 正确。 故选 CD。 (2)[2]测力计最小分度为 0.1N，应估读到 0.01N，故读数为 3.00N。 (3)[3]A．记录力方向时，两点太近，误差较大，A 错误； B．标度选择不合适，两细绳间夹角太小，B 错误； C．记录力方向时，两点距离合适，标度选择合适，C 正确； D．测量合力实际值时，力的方向偏差太大，误差太大，D 错误。 故选 C。 11．（2021·内蒙古赤峰市·高三一模）某同学在做“验证力的平行四边形定则”实验，将橡皮条一端固定在 A 点，另一端系上两根细绳及绳套，用两个弹簧测力计通过细绳套互成角度的拉动橡皮条，将结点拉到 O 点， 如图甲所示． (1)如果没有操作失误，图乙中 Fˈ是用一个弹簧测力计拉细绳套时，在白纸上根据实验结果画出的图示，则 图乙中的 F 与 F'两力中，方向一定沿 AO 方向的是______． (2)本实验采用的科学方法是______． A．理想实验法 B．等效替代法 C．控制变量法 D．建立物理模型法 (3)在同一对比实验的两次操作中，O 点位置______．（选填“可以”或“不可以”）变动． (4)如图丙，使弹簧测力计 b 从水平位置开始顺时针缓慢转动至竖直方向，在这个过程中保持 O 点位置和弹 簧测力计 a 的拉伸方向不变，则在整个过程中关于弹簧测力计 a、b 的读数变化是__________． A．a 增大，b 减小 B．a 减小，b 增大 C．a 减小，b 先增大后减小 D．a 减小，b 先减小后增大 【答案】 F B 不可以 D 【详解】（1）[1] F 是通过实验方法得出的，其方向一定与 AO 方向相同； （2）[2]合力与分力的作用效果相同，所以本实验的科学方法是等效替代法，故 B 符合题意 ACD 不符合 题意． （3）[3]在同一对比实验的两次操作中，为了保证合力与分力的作用效果相同，O 点位置不可以变动． （4）[4]对点 O 受力分析，受到两个弹簧的拉力和橡皮条的拉力，如图，其中橡皮条长度不变，其拉力大 小不变，Oa 弹簧拉力方向不变，Ob 弹簧拉力方向和大小都改变 根据平行四边形定则可以看出 b 的读数先变小后变大，a 的读数不断变小，故 ABC 不符合题意，D 符合题 意． 12．（2021·全国高三其他模拟）小明用如图甲的实验装置验证“力的平行四边形定则”，实验步骤如下： ①将弹簧的一端固定于铁架台上的 C 处，在竖直放置的木板上贴一张坐标纸，在弹簧末端挂上一个重力已 知的钩码，在坐标纸上记下此时弹簧末端的位置 O； ②取下钩码，将两绳套系在弹簧末端，用两个弹簧测力计共同将弹簧末端拉到同一位置 O，记录此时细绳 套 OA、OB 的方向及两个弹簧测力计相应的读数； ③选好标度，在坐标纸上画出两只弹簧测力计的拉力 FA 和 FB 的图示，并根据平行四边形定则求出合力 F 合； ④按同一标度，在坐标纸上画出挂一个钩码时弹簧所受的拉力 F 的图示； ⑤比较 F 合和 F 的大小和方向，得出结论． 回答下列问题： （1）步骤②中弹簧测力计 A 的示数如图乙，该读数为__________N； （2）图丙中已画出 FB 和 F 的图示（小方格的边长表示 1.0 N），FA 的方向如图中虚线所示．请在图中画出 FA 的图示，并根据平形四边形定则画出 FA 和 FB 的合力 F 合； （3）本次实验中，若保持弹簧测力计 A 的读数不变，增大 OA 与 OC 的夹角，为将弹簧末端拉到同一位置 O，可采用的办法是________ A．增大弹簧测力计 B 的读数，减小 OB 与 OC 之间的夹角 B．增大弹簧测力计 B 的读数，增大 OB 与 OC 之间的夹角 C．减小弹簧测力计 B 的读数，减小 OB 与 OC 之间的夹角 D．减小弹簧测力计 B 的读数，增大 OB 与 OC 之间的夹角 【答案】4.00 CD 【详解】（1）步骤②中弹簧测力计 A 的读数为 4.00N； （2）画出的图像如图： （3）若保持弹簧测力计 A 的读数不变，逐渐增大 OA 与 OC 的夹角，甲、乙两个弹簧秤弹力的合力不变， 如图所示，则可知采用的方法是：减小弹簧测力计 B 的读数，减小 OB 与 OC 之间的夹角；或者减小弹簧 测力计 B 的读数，增大 OB 与 OC 之间的夹角，故选 CD.