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1、实验四 验证牛顿运动定律实验四 验证牛顿运动定律 实验基础实验基础 核心探究核心探究 实验基础实验基础 解读实验解读实验萃取精华萃取精华 注意事项注意事项 1.1.平衡摩擦力平衡摩擦力: :在平衡摩擦力时在平衡摩擦力时, ,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上不要把悬挂小盘的细绳系在小车上, ,即不要给即不要给 小车加任何牵引力小车加任何牵引力, ,且要让小车拖着纸带匀速运动且要让小车拖着纸带匀速运动. . 2.2.实验条件实验条件: :小车的质量小车的质量M M远大于小盘和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量m.m. 3.3.操作要领操作要领: :改变拉力和小车质量后改变拉力和小车质量后, ,每次
2、开始时小车应尽量靠近打点计时器每次开始时小车应尽量靠近打点计时器, , 并应先接通电源并应先接通电源, ,再放开小车再放开小车, ,且应在小车到达定滑轮前按住小车且应在小车到达定滑轮前按住小车. . 2.2.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不严格与木板平行都会引起误差. . 核心探究核心探究 通法悟道通法悟道拓宽思路拓宽思路 探究点一 基础性实验探究点一 基础性实验 【典例典例1 1】 在在“验证牛顿运动定律验证牛顿运动定律”实验中实验中, ,采用如图所示的装置图进
3、行实验采用如图所示的装置图进行实验. . 解析解析: :(1)(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 衡衡, ,故故A,DA,D项正确项正确,B,B项错误项错误; ;为确定小车是否为匀速运动为确定小车是否为匀速运动, ,需要通过纸带上点迹需要通过纸带上点迹 是否均匀来判断是否均匀来判断, ,故故C C项错误项错误. . 答案答案: :(1)AD (1)AD (1)(1)对小车进行对小车进行“平衡摩擦力平衡摩擦力”操作时操作时, ,下列必须进行的是下列必须进行的是 ( (填字母序填字母序 号号). ). A.A.
4、取下沙和沙桶取下沙和沙桶 B.B.在空沙桶的牵引下在空沙桶的牵引下, ,轻推一下小车轻推一下小车, ,小车能做匀速直线运动小车能做匀速直线运动 C.C.小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时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打点计时器的电源应断开 D.D.把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度 (2)(2)实验中实验中, ,已经测出小车的质量为已经测出小车的质量为M,M,沙和沙桶的总质量为沙和沙桶的总质量为m,m,若要将沙和沙桶的若要将沙和沙桶的 总 重 力 大 小 作 为 小 车 所 受 拉 力总 重 力 大 小 作 为
5、小 车 所 受 拉 力 F F 的 大 小的 大 小 , , 这 样 做 的 前 提 条 件 是这 样 做 的 前 提 条 件 是 . . 答案答案: :(2)m(2)mM M (3)(3)在实验操作中在实验操作中, ,下列说法正确的是下列说法正确的是 ( (填序号填序号). ). A.A.求小车运动的加速度时求小车运动的加速度时, ,可用天平测出沙和沙桶的质量可用天平测出沙和沙桶的质量MM和和m,m,以及小车质以及小车质 量量M,M,直接用公式直接用公式a=ga=g求出求出 B.B.实验时实验时, ,应先接通打点计时器的电源应先接通打点计时器的电源, ,再放开小车再放开小车 C.C.每改变一
6、次小车的质量每改变一次小车的质量, ,都需要改变垫入的小木块的厚度都需要改变垫入的小木块的厚度 D.D.先保持小车质量不变先保持小车质量不变, ,研究加速度与力的关系研究加速度与力的关系; ;再保持小车受力不变再保持小车受力不变, ,研究加研究加 速度与质量的关系速度与质量的关系, ,最后归纳出加速度与力、质量的关系最后归纳出加速度与力、质量的关系 解析解析: :(3)(3)本实验是本实验是“探究加速度和力、质量的关系探究加速度和力、质量的关系”, ,所以不能把牛顿第二所以不能把牛顿第二 定律当成已知的公式来使用定律当成已知的公式来使用, ,故故A A错误错误; ;使用打点计时器时使用打点计时
7、器时, ,应该先接通电源应该先接通电源, , 后释放纸带后释放纸带, ,故故B B正确正确; ;平衡摩擦力后有平衡摩擦力后有=tan ,=tan ,小车质量改变时小车质量改变时, ,总满足总满足 mgsin =mgcos ,mgsin =mgcos ,与小车质量无关与小车质量无关, ,所以不用再次平衡摩擦力所以不用再次平衡摩擦力, ,故故C C错误错误; ; 本实验采用控制变量法本实验采用控制变量法, ,故故D D正确正确. . 答案答案: :(3)BD (3)BD 答案答案: :(4)1.18 (4)1.18 (4)(4)如图如图( (甲甲) )为某次实验打出的一条纸带为某次实验打出的一条纸
8、带, ,纸带上每四个计时点记为一个计数点纸带上每四个计时点记为一个计数点, , 按时间顺序按时间顺序, ,取取0,1,2,3,4,5,60,1,2,3,4,5,6七个计数点七个计数点, ,用刻度尺量出用刻度尺量出1,2,3,4,5,61,2,3,4,5,6点到点到0 0点点 的距离的距离( (单位单位:cm),:cm),分别标注在相应的计数点的下方分别标注在相应的计数点的下方, ,则小车的加速度则小车的加速度a=a= m/sm/s2 2 ( (结果保留三位有效数字结果保留三位有效数字). ). 解析解析: :(5)(5)纵截距不为零纵截距不为零, ,即使小车质量即使小车质量M M非常大时非常大
9、时, ,小车仍有加速度小车仍有加速度, ,说明小车说明小车 不受拉力作用时也具有加速度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因此可以断定平衡摩擦力时长木板倾角过大. . 答案答案: :(5)(5)长木板倾角过大长木板倾角过大 (5)(5)在满足实验条件下在满足实验条件下, ,某同学得到了如图某同学得到了如图( (乙乙) )的图线的图线(M(M为小车和砝码的总质量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图线在纵轴上截距不为零的原因是 . . 方法技巧方法技巧 实验中的注意点实验中的注意点 (1)(1)改变木块质量时改变木块质量时, ,不需要重新
10、平衡摩擦力不需要重新平衡摩擦力. . (2)(2)平衡木块摩擦力后平衡木块摩擦力后, ,细绳的拉力即为木块的合外力细绳的拉力即为木块的合外力. . 题组冲关题组冲关 1.(1.(20182018安徽合肥质检安徽合肥质检) )某实验小组在做某实验小组在做“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”实实 验中验中, , (1)(1)在闭合开关之前在闭合开关之前, ,甲同学将实验器材组装成图甲同学将实验器材组装成图( (甲甲) )所示所示. .请指出该装置中的请指出该装置中的 错误或不妥之处错误或不妥之处( (只要答出其中的两点即可只要答出其中的两点即可):): . . 解析解析: :(
11、1)(1)打点计时器应该用交流电源打点计时器应该用交流电源( (图中干电池为直流电源图中干电池为直流电源););本实验本实验 应该将木板的右端垫高应该将木板的右端垫高, ,平衡摩擦力平衡摩擦力; ;小车离定滑轮太近小车离定滑轮太近( (离打点计时器较离打点计时器较 远远),),小车应靠近打点计时器且打点计时器应距左端较远小车应靠近打点计时器且打点计时器应距左端较远, ,这样便于小车运动这样便于小车运动 较长的时间较长的时间, ,从而能获取较多数据从而能获取较多数据, ,准确测量小车的加速度准确测量小车的加速度, ,减小误差减小误差. . 答案答案: :(1)(1)用的是直流电源用的是直流电源;
12、 ;木板的右端没有垫高木板的右端没有垫高; ;小车离打点计时器太远小车离打点计时器太远( (只只 要答出其中的两点即可要答出其中的两点即可) ) (2)(2)乙同学将上述装置调整正确后进行实验乙同学将上述装置调整正确后进行实验, ,在实验中得到如图在实验中得到如图( (乙乙) )所示的一条所示的一条 纸带纸带, ,图中相邻两计数点之间还有四个点没有画出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由图中的数据可算得小车加 速度为速度为 m/sm/s2 2.(.(保留两位有效数字保留两位有效数字) ) 答案答案: :(2)0.49 (2)0.49 (3)(3)丙同学在利用上
13、述调整好的装置进行实验中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保持沙和沙桶的总质量不 变变, ,小车自身的质量为小车自身的质量为M M且保持不变且保持不变, ,改变小车中砝码的质量改变小车中砝码的质量m,m,并测出小车中并测出小车中 放不同质量砝码时所对应的加速度放不同质量砝码时所对应的加速度a,a,以以m m为横坐标为横坐标, , 为纵坐标为纵坐标, ,在坐标纸上在坐标纸上 作出如图作出如图( (丙丙) )所示的所示的 -m-m关系图线关系图线, ,图中纵轴上的截距为图中纵轴上的截距为b,b,则小车受到的则小车受到的 拉力大小为拉力大小为 . . 1 a 1 a
14、2.2.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, ,图图( (甲甲) ) 为实验装置图为实验装置图,A,A为小车为小车,B,B为打点计时器为打点计时器,C,C为装有沙的沙桶为装有沙的沙桶,D,D为一端带有定滑轮为一端带有定滑轮 的长方形木板的长方形木板. .实验中认为细绳对小车的拉力实验中认为细绳对小车的拉力F F等于沙和沙桶的总重力等于沙和沙桶的总重力, ,小车运小车运 动的加速度动的加速度a a可由打点计时器在纸带上打出的点求得可由打点计时器在纸带上打出的点求得. . (1)(1)图图( (乙乙) )为某次实验得
15、到的纸带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纸带上两相邻计数点的时间间隔为0.10 s,0.10 s, 由图中数据求出小车加速度值为由图中数据求出小车加速度值为 m/sm/s2 2( (计算结果保留两位有效计算结果保留两位有效 数字数字). ). 答案答案: :(1)0.64 (1)0.64 (2)(2)保持沙和沙桶的质量不变保持沙和沙桶的质量不变, ,改变小车质量改变小车质量m,m,分别得到小车加速度分别得到小车加速度a a与质量与质量m m 及对应的及对应的 数据如表中所示数据如表中所示, ,根据表中数据根据表中数据, ,为直观反映为直观反映F F不变时不变时,a,a与
16、与m m的关系的关系, , 请在图请在图( (丙丙) )中选中恰当的物理量和标度建立坐标系中选中恰当的物理量和标度建立坐标系, ,并作出图线并作出图线. . 1 m 1 m 答案答案: :(2)(2)如图所示如图所示 (3)(3)从图线中得到从图线中得到F F不变时小车加速度不变时小车加速度a a与质量与质量m m间的定量关系是间的定量关系是 . . (4)(4)保持小车质量不变保持小车质量不变, ,改变沙和沙桶质量改变沙和沙桶质量, ,该同学根据实验数据作出了加速度该同学根据实验数据作出了加速度 与合力与合力F F图线如图图线如图( (丁丁) )所示所示, ,该图线不通过原点该图线不通过原点
17、, ,明显超出偶然误差范围明显超出偶然误差范围, ,其主要其主要 原因是原因是 . . 解析解析: :(4)(4)图线不通过坐标原点图线不通过坐标原点,F,F不为零时不为零时, ,加速度仍为零加速度仍为零, ,可知实验前没可知实验前没 有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足. . 答案答案: :(4)(4)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足 探究点二 创新性实验探究点二 创新性实验 【典例典例2 2】 ( (20142014全国全国卷卷,22,22) )某同学利用图某同学利用图(a)(a)所示实验装置及数字化信息所示实验装置及数字化信息 系统获得了小
18、车加速度系统获得了小车加速度a a与钩码的质量与钩码的质量m m的对应关系图的对应关系图, ,如图如图(b)(b)所示所示, ,实验中小实验中小 车车( (含发射器含发射器) )的质量为的质量为200 g,200 g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮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, ,回答下列问题回答下列问题: : 高考创新实验例析高考创新实验例析 (1)(1)根据该同学的结果根据该同学的结果, ,小车的加速度与钩码的质量成小车的加速度与钩码的质量成 ( (填填“线性线性” 或
19、或“非线性非线性”) )关系关系. . (2)(2)由图由图(b)(b)可知可知,a-m,a-m图线不经过原点图线不经过原点, ,可能的原因是可能的原因是 . . . . 解析解析: :(1)(1)根据图中描出的各点根据图中描出的各点, ,作出的图像不是一条直线作出的图像不是一条直线.(2).(2)图像不过原点图像不过原点, , 有拉力但没有加速度有拉力但没有加速度, ,原因是摩擦力的影响原因是摩擦力的影响. . 答案答案: :(1)(1)非线性非线性 (2)(2)实验之前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够实验之前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 (3)(3)若利用本实验装置来验证若利用本实验装置来
20、验证“在小车质量不变的情况下在小车质量不变的情况下, ,小车的加速度与作小车的加速度与作 用力成正比用力成正比”的结论的结论, ,并直接以钩码所受重力并直接以钩码所受重力mgmg作为小车受到的合外力作为小车受到的合外力, ,则实则实 验中应采取的改进措施是验中应采取的改进措施是 , ,钩码的质量应满足的条件是钩码的质量应满足的条件是 . . 解析解析: :(3)(3)完全平衡摩擦力之后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.
21、. 答案答案: :( (3)3)实验之前做好平衡摩擦力工作 远小于小车质量实验之前做好平衡摩擦力工作 远小于小车质量 【创新创新/ /改进点分析改进点分析】 1.1.实验方案的改进实验方案的改进: :小车的加速度由位移传感器与计算机自动得出小车的加速度由位移传感器与计算机自动得出. . 2.2.数据处理的创新数据处理的创新: :坐标系的横坐标为钩码的质量坐标系的横坐标为钩码的质量. . 3.3.设问方式的创新设问方式的创新: :利用实验点的分布特征确定利用实验点的分布特征确定a-ma-m的图线的形状特征的图线的形状特征. . 模拟创新实验冲关模拟创新实验冲关 1.(1.(20182018福建龙
22、岩四校联考福建龙岩四校联考) )甲、乙、丙三个实验小组分别采用如图甲、乙、丙三个实验小组分别采用如图( (甲甲) )、 ( (乙乙) )、( (丙丙) )所示的实验装置所示的实验装置, ,验证验证“当质量一定时当质量一定时, ,物体运动的加速度与它所受物体运动的加速度与它所受 的合力成正比的合力成正比”这一物理规律这一物理规律. .已知他们使用的小车完全相同已知他们使用的小车完全相同, ,小车的质量为小车的质量为M,M, 重物的质量为重物的质量为m,m,试回答下列问题试回答下列问题. . (1)(1)甲、乙、丙三组实验中甲、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必须平
23、衡小车和长木板之间的摩擦力的实验小组 是是 . . 解析解析: :(1)(1)三组实验中小车与长木板之间都有摩擦力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所以都需要平衡摩擦力. . 答案答案: :(1)(1)甲、乙、丙甲、乙、丙 (2)(2)实验时实验时, ,必须满足必须满足“M M远大于远大于m”m”的实验小组是的实验小组是 . . (3)(3)实验时实验时, ,甲、乙、丙三组同学的操作均完全正确甲、乙、丙三组同学的操作均完全正确, ,他们作出的他们作出的a-Fa-F图线如图图线如图 ( (丁丁) )中中A,B,CA,B,C所示所示, ,则甲、乙、丙三组实验对应的图线依
24、次是则甲、乙、丙三组实验对应的图线依次是 . . 解析解析: :(2)(2)乙、丙两组绳上的力由弹簧测力计和力传感器读出乙、丙两组绳上的力由弹簧测力计和力传感器读出, ,所以不需满所以不需满 足足M Mm.m.甲组用重物的重力代替绳的拉力甲组用重物的重力代替绳的拉力, ,必须满足必须满足M Mm.m. (3)(3)甲组用重物的重力代替绳子的拉力甲组用重物的重力代替绳子的拉力, ,需满足需满足M Mm,m,随着随着m m的增大的增大, ,不满足不满足 M Mm m时时, ,图像出现弯曲图像出现弯曲, ,即甲组对应即甲组对应C;C;根据拉力相等时根据拉力相等时,a,a乙 乙a a丙 丙来判断乙组
25、来判断乙组 对应对应A,A,丙组对应丙组对应B.B. 答案答案: :(2)(2)甲 甲 (3)CAB (3)CAB 答案答案: :(4)0.16(4)0.16 0.360.36 (4)(4)实验时实验时, ,乙组同学得到的一条纸带如图乙组同学得到的一条纸带如图( (戊戊) )所示所示, ,从比较清晰的点起从比较清晰的点起, ,每每5 5 个点取一个计数点个点取一个计数点, ,打点计时器所用电源的频率为打点计时器所用电源的频率为50 Hz,50 Hz,根据所标的测量数根据所标的测量数 据可算得据可算得: :小车的加速度为小车的加速度为 m/sm/s2 2, ,打下打下“2 2”点时小车的速度为点
26、时小车的速度为 m/s.m/s. 【创新创新/ /改进点分析改进点分析】 1.1.实验方案的创新实验方案的创新: :乙实验中应用弹簧测力计测绳的拉力乙实验中应用弹簧测力计测绳的拉力, ,在小车上装滑轮在小车上装滑轮, , 这样直观得出小车的合力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丙实验中应用力传感器直接得小车的合力. . 2.2.设问方式的创新设问方式的创新: :三种实验方案对比三种实验方案对比, ,确定它们对应的确定它们对应的a-Fa-F图线图线. . 2.(2.(20182018东北三省四市联考东北三省四市联考) )某同学利用如图某同学利用如图( (甲甲) )
27、所示的实验装置探究加速所示的实验装置探究加速 度与力的关系度与力的关系. .该同学在气垫导轨上安装了一个光电门该同学在气垫导轨上安装了一个光电门B,B,滑块上固定一遮光条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传感器下方悬挂钩码, , 每次滑块都从每次滑块都从A A处由静止释放处由静止释放. . (1)(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d,d,如图如图( (乙乙) )所示所示, ,则则d=d= cm. cm. 解析解析: :(1)(1)由图知第由图知第1
28、515条刻度线与主尺对齐条刻度线与主尺对齐,d=1 mm+15,d=1 mm+150.05 mm=1.75 mm0.05 mm=1.75 mm =0.175 cm.=0.175 cm. 答案答案: :(1)0.175 (1)0.175 (2)(2)实验时实验时, ,将滑块从将滑块从A A位置由静止释放位置由静止释放, ,由数字计时器读出遮光条通过光电门由数字计时器读出遮光条通过光电门B B 的时间的时间t,t,若要得到滑块的加速度若要得到滑块的加速度, ,还需要测量的物理量是还需要测量的物理量是 . . ( (写出文字和相应字母写出文字和相应字母) ) 解析解析: :(2)(2)滑块经过光电门
29、时的瞬时速度可近似认为是遮光条经过光电门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 的平均速度的平均速度, ,若要求得滑块的加速度若要求得滑块的加速度, ,还需要测量还需要测量A A位置到光电门的距离位置到光电门的距离L.L. 答案答案: :(2)A(2)A位置到光电门的距离位置到光电门的距离L L 解析解析: :(3)(3)应将气垫导轨调节水平应将气垫导轨调节水平, ,保持细线与导轨平面平行保持细线与导轨平面平行, ,使拉力等于滑使拉力等于滑 块所受合力块所受合力, ,故故A,BA,B正确正确; ;应使应使A A位置与光电门间的距离适当大些位置与光电门间的距离适当大些, ,有利于
30、减有利于减 小误差小误差, ,故故D D正确正确; ;拉力是直接通过传感器测量的拉力是直接通过传感器测量的, ,故与滑块质量和钩码及力故与滑块质量和钩码及力 传感器总质量大小关系无关传感器总质量大小关系无关, ,选项选项C C错误错误. . 答案答案: :(3)C(3)C (3)(3)下列不必要的一项实验要求是下列不必要的一项实验要求是 . . A.A.应将气垫导轨调节水平应将气垫导轨调节水平 B.B.应使细线与气垫导轨平行应使细线与气垫导轨平行 C.C.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量 D.D.应使应使A A位置与光电门间的距离适当大些位置与光电门间的距离适当大些 【创新创新/ /改进点分析改进点分析】 1.1.实验方案的创新实验方案的创新: :滑块在水平气垫导轨上加速运动滑块在水平气垫导轨上加速运动, ,利用光电门测速度利用光电门测速度, , 力传感器直接得到滑块受到的合力力传感器直接得到滑块受到的合力. . 2.2.数据处理的创新数据处理的创新: :利用测得的运动状态量利用测得的运动状态量, ,由运动学公式由运动学公式v v2 2=2ax=2ax求加速求加速 度度; ;再结合牛顿第二定律推导函数关系再结合牛顿第二定律推导函数关系, ,从而确定对应的图像从而确定对应的图像. .