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1、实验四 验证牛顿运动定律,实验基础,核心探究,实验基础 解读实验萃取精华,注意事项 1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,且要让小车拖着纸带匀速运动. 2.实验条件:小车的质量M远大于小盘和砝码的总质量m. 3.操作要领:改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,再放开小车,且应在小车到达定滑轮前按住小车.,2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差.,核心探究 通法悟道拓宽思路,探究点一 基础性实验,【典例1】 在“验证牛顿运动定律”实验中,采用如图所示
2、的装置图进行实验.,解析:(1)平衡摩擦力时使小车所受重力沿木板方向分力与小车所受摩擦力平衡,故A,D项正确,B项错误;为确定小车是否为匀速运动,需要通过纸带上点迹是否均匀来判断,故C项错误. 答案:(1)AD,(1)对小车进行“平衡摩擦力”操作时,下列必须进行的是 (填字母序号). A.取下沙和沙桶 B.在空沙桶的牵引下,轻推一下小车,小车能做匀速直线运动 C.小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时,打点计时器的电源应断开 D.把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度,(2)实验中,已经测出小车的质量为M,沙和沙桶的总质量为m,若要将沙和沙桶的总重力大小作为小车所受拉力F的大小,这样做的前提条
3、件是 .,答案:(2)mM,(3)在实验操作中,下列说法正确的是 (填序号). A.求小车运动的加速度时,可用天平测出沙和沙桶的质量M和m,以及小车质量M,直接用公式a=g求出 B.实验时,应先接通打点计时器的电源,再放开小车 C.每改变一次小车的质量,都需要改变垫入的小木块的厚度 D.先保持小车质量不变,研究加速度与力的关系;再保持小车受力不变,研究加速度与质量的关系,最后归纳出加速度与力、质量的关系,解析:(3)本实验是“探究加速度和力、质量的关系”,所以不能把牛顿第二定律当成已知的公式来使用,故A错误;使用打点计时器时,应该先接通电源,后释放纸带,故B正确;平衡摩擦力后有=tan ,小车
4、质量改变时,总满足mgsin =mgcos ,与小车质量无关,所以不用再次平衡摩擦力,故C错误;本实验采用控制变量法,故D正确. 答案:(3)BD,答案:(4)1.18,(4)如图(甲)为某次实验打出的一条纸带,纸带上每四个计时点记为一个计数点,按时间顺序,取0,1,2,3,4,5,6七个计数点,用刻度尺量出1,2,3,4,5,6点到0点的距离(单位:cm),分别标注在相应的计数点的下方,则小车的加速度a= m/s2 (结果保留三位有效数字).,解析:(5)纵截距不为零,即使小车质量M非常大时,小车仍有加速度,说明小车不受拉力作用时也具有加速度,因此可以断定平衡摩擦力时长木板倾角过大. 答案:
5、(5)长木板倾角过大,(5)在满足实验条件下,某同学得到了如图(乙)的图线(M为小车和砝码的总质量),图线在纵轴上截距不为零的原因是 .,方法技巧 实验中的注意点 (1)改变木块质量时,不需要重新平衡摩擦力. (2)平衡木块摩擦力后,细绳的拉力即为木块的合外力.,题组冲关,1.(2018安徽合肥质检)某实验小组在做“探究加速度与力、质量的关系”实验中, (1)在闭合开关之前,甲同学将实验器材组装成图(甲)所示.请指出该装置中的错误或不妥之处(只要答出其中的两点即可): .,解析:(1)打点计时器应该用交流电源(图中干电池为直流电源);本实验应该将木板的右端垫高,平衡摩擦力;小车离定滑轮太近(离
6、打点计时器较远),小车应靠近打点计时器且打点计时器应距左端较远,这样便于小车运动较长的时间,从而能获取较多数据,准确测量小车的加速度,减小误差. 答案:(1)用的是直流电源;木板的右端没有垫高;小车离打点计时器太远(只要答出其中的两点即可),(2)乙同学将上述装置调整正确后进行实验,在实验中得到如图(乙)所示的一条纸带,图中相邻两计数点之间还有四个点没有画出,由图中的数据可算得小车加速度为 m/s2.(保留两位有效数字),答案:(2)0.49,(3)丙同学在利用上述调整好的装置进行实验中,保持沙和沙桶的总质量不变,小车自身的质量为M且保持不变,改变小车中砝码的质量m,并测出小车中放不同质量砝码
7、时所对应的加速度a,以m为横坐标, 为纵坐标,在坐标纸上作出如图(丙)所示的 -m关系图线,图中纵轴上的截距为b,则小车受到的拉力大小为 .,2.某同学设计了一个探究加速度与物体所受合力及质量间关系的实验,图(甲)为实验装置图,A为小车,B为打点计时器,C为装有沙的沙桶,D为一端带有定滑轮的长方形木板.实验中认为细绳对小车的拉力F等于沙和沙桶的总重力,小车运动的加速度a可由打点计时器在纸带上打出的点求得.,(1)图(乙)为某次实验得到的纸带,纸带上两相邻计数点的时间间隔为0.10 s,由图中数据求出小车加速度值为 m/s2(计算结果保留两位有效数字).,答案:(1)0.64,(2)保持沙和沙桶
8、的质量不变,改变小车质量m,分别得到小车加速度a与质量m及对应的 数据如表中所示,根据表中数据,为直观反映F不变时,a与m的关系,请在图(丙)中选中恰当的物理量和标度建立坐标系,并作出图线.,答案:(2)如图所示,(3)从图线中得到F不变时小车加速度a与质量m间的定量关系是 .,(4)保持小车质量不变,改变沙和沙桶质量,该同学根据实验数据作出了加速度与合力F图线如图(丁)所示,该图线不通过原点,明显超出偶然误差范围,其主要原因是 .,解析:(4)图线不通过坐标原点,F不为零时,加速度仍为零,可知实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足. 答案:(4)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足,探究点二 创新性
9、实验,【典例2】 (2014全国卷,22)某同学利用图(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图,如图(b)所示,实验中小车(含发射器)的质量为200 g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮,小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到,回答下列问题:,高考创新实验例析,(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成 (填“线性”或“非线性”)关系. (2)由图(b)可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是 . .,解析:(1)根据图中描出的各点,作出的图像不是一条直线.(2)图像不过原点,有拉力但没有加速度,原因是摩擦力的影响. 答案:(1)非
10、线性 (2)实验之前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够,(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是 ,钩码的质量应满足的条件是 .,解析:(3)完全平衡摩擦力之后,在满足钩码质量远小于小车质量的条件下,可以得出小车质量不变情况下加速度与作用力成正比的结论. 答案:(3)实验之前做好平衡摩擦力工作 远小于小车质量,【创新/改进点分析】 1.实验方案的改进:小车的加速度由位移传感器与计算机自动得出. 2.数据处理的创新:坐标系的横坐标为钩码的质量. 3.设问方式的创新:利用实验点的分
11、布特征确定a-m的图线的形状特征.,模拟创新实验冲关,1.(2018福建龙岩四校联考)甲、乙、丙三个实验小组分别采用如图(甲)、(乙)、(丙)所示的实验装置,验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合力成正比”这一物理规律.已知他们使用的小车完全相同,小车的质量为M,重物的质量为m,试回答下列问题.,(1)甲、乙、丙三组实验中,必须平衡小车和长木板之间的摩擦力的实验小组是 .,解析:(1)三组实验中小车与长木板之间都有摩擦力,所以都需要平衡摩擦力. 答案:(1)甲、乙、丙,(2)实验时,必须满足“M远大于m”的实验小组是 . (3)实验时,甲、乙、丙三组同学的操作均完全正确,他们作出的a
12、-F图线如图(丁)中A,B,C所示,则甲、乙、丙三组实验对应的图线依次是 .,解析:(2)乙、丙两组绳上的力由弹簧测力计和力传感器读出,所以不需满足Mm.甲组用重物的重力代替绳的拉力,必须满足Mm. (3)甲组用重物的重力代替绳子的拉力,需满足Mm,随着m的增大,不满足Mm时,图像出现弯曲,即甲组对应C;根据拉力相等时,a乙a丙来判断乙组对应A,丙组对应B. 答案:(2)甲 (3)CAB,答案:(4)0.16 0.36,(4)实验时,乙组同学得到的一条纸带如图(戊)所示,从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,打点计时器所用电源的频率为50 Hz,根据所标的测量数据可算得:小车的加速度为 m/
13、s2,打下“2”点时小车的速度为 m/s.,【创新/改进点分析】 1.实验方案的创新:乙实验中应用弹簧测力计测绳的拉力,在小车上装滑轮,这样直观得出小车的合力;丙实验中应用力传感器直接得小车的合力. 2.设问方式的创新:三种实验方案对比,确定它们对应的a-F图线.,2.(2018东北三省四市联考)某同学利用如图(甲) 所示的实验装置探究加速度与力的关系.该同学在气垫导轨上安装了一个光电门B,滑块上固定一遮光条,滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连,传感器下方悬挂钩码,每次滑块都从A处由静止释放.,(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d,如图(乙)所示,则d= cm.,解析:(1)
14、由图知第15条刻度线与主尺对齐,d=1 mm+150.05 mm=1.75 mm =0.175 cm. 答案:(1)0.175,(2)实验时,将滑块从A位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t,若要得到滑块的加速度,还需要测量的物理量是 . (写出文字和相应字母),解析:(2)滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是遮光条经过光电门的平均速度,若要求得滑块的加速度,还需要测量A位置到光电门的距离L. 答案:(2)A位置到光电门的距离L,解析:(3)应将气垫导轨调节水平,保持细线与导轨平面平行,使拉力等于滑块所受合力,故A,B正确;应使A位置与光电门间的距离适当大些,有利于减小误差,故D正确;拉力是直接通过传感器测量的,故与滑块质量和钩码及力传感器总质量大小关系无关,选项C错误. 答案:(3)C,(3)下列不必要的一项实验要求是 . A.应将气垫导轨调节水平 B.应使细线与气垫导轨平行 C.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量 D.应使A位置与光电门间的距离适当大些,【创新/改进点分析】 1.实验方案的创新:滑块在水平气垫导轨上加速运动,利用光电门测速度,力传感器直接得到滑块受到的合力. 2.数据处理的创新:利用测得的运动状态量,由运动学公式v2=2ax求加速度;再结合牛顿第二定律推导函数关系,从而确定对应的图像.,