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1、实验四 验证牛顿第二定律,实验溯本求源实验热点探究课时巩固训练教师备用习题,一、实验目的 1.学会用 法探究加速度a与力F、质量M的关系. 2.掌握利用 处理问题的方法. 二、实验原理 本实验中,探究加速度a与力F、质量M的关系,可以先保持 不变,研究a和M的关系,再保持M不变,研究a和F的关系.,控制变量,图像,F,三、实验器材 一端有定滑轮的长木板、 、复写纸和纸带、小车、小盘、重物、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线. 四、实验步骤 1.用天平测出小车的质量M和盘的质量m0,把数值记录下来. 2.把实验器材安装好. 3.平衡摩擦力:在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板,反复移
2、动其位置,直至不挂盘和重物时小车刚好能在斜面上保持匀速直线运动为止.,低压交流电源,4.将盘和重物通过细绳系在小车上,接通电源,放开小车,使小车运动,用纸带记录小车的运动情况,取下纸带,并在纸带上标上号码. 5.保持小车的质量不变,改变盘中重物的质量,重复步骤4,每次记录必须在相应的纸带上做上标记,将记录的数据填写在表格内. 6.建立坐标系,用纵坐标表示加速度,横坐标表示力,在坐标系中描点,画出相应的图线,探究a与F的关系. 7.保持盘和重物的质量不变,改变小车的质量(在小车上增减砝码),探究a与M的关系.,热点一 实验原理与实验操作,例1 在用如图S4-1所示的装置做“验证牛顿第二定律”的实
3、验中,保持小车质量一定时,验证小车加速度a与合外力F的关系. (1)除了电火花计时器、纸带、刻度尺、 小车、砝码、拴有细线的砝码盘、附 有定滑轮的长木板、垫块、导线及开 关外,在下列器材中还必须使用的 有 (填选项前的字母). A.220 V、50 Hz的交流电源 B.电压可调的直流电源 C.秒表 D.天平(附砝码),图S4-1,(2)实验中,需要平衡小车运动时的摩擦阻力,正确的做法是 (填选项前的字母). A.小车放在木板上,把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在不受绳的拉力时沿木板做匀速直线运动 B.小车放在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过打点计时器,把木板一端垫高,调节木板的倾斜
4、程度,使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动 C.小车放在木板上,挂上砝码盘,砝码盘内不放砝码,把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在砝码盘的作用下沿木板做匀速直线运动 D.小车放在木板上,挂上砝码盘,砝码盘内放入本次实验所需的砝码,把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在砝码盘和砝码的作用下沿木板做匀速直线运动,答案 (1)AD (2)B,解析 (1)除了电火花计时器、纸带、刻度尺、小车、砝码、拴有细线的砝码盘、附有定滑轮的长木板、垫块、导线及开关外,还必须使用220 V、50 Hz的交流电源和天平(附砝码). (2)实验中平衡小车运动时的摩擦阻力的正确做法是:小车放
5、在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过打点计时器,把木板一端垫高,调节木板的倾斜程度,使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动.,变式题 为了探究加速度与力、质量的关系,甲、乙、丙三位同学分别设计了如图S4-2所示的实验装置,小车质量用M表示(乙图中M包括小车与传感器,丙图中M包括小车和与小车固连的滑轮),钩码总质量用m表示.,图S4-2,(1)为便于测量合外力的大小,并得到“小车质量一定时,小车的加速度与所受合外力成正比”的结论,下列说法正确的是 (填选项前的字母). A.三组实验中只有甲同学的实验需要平衡摩擦力 B.三组实验都需要平衡摩擦力 C.三组实验中只有甲同学的实验需要满足
6、所挂钩码的总质量m远小于小车的质量M的条件 D.三组实验都需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的质量M的条件,答案 (1)BC (2)12 12,解析 (1)本实验的目的是探究加速度与合力、质量的关系,必须平衡摩擦力才能满足绳对小车的拉力等于小车受到的合力,所以三组实验都需要平衡摩擦力.甲同学实验中,绳的拉力是用钩码的重力替代的,因小车与钩码具有大小相等的加速度,所以绳的拉力小于钩码的重力,只有在钩码的质量远小于小车的质量时,绳的拉力才近似等于钩码的重力,甲同学实验中必须满足钩码的总质量m远小于小车的质量M的条件;乙同学实验中绳的拉力用力传感器测出,不需要满足钩码的总质量m远小于小车的质量M的
7、条件;丙同学实验中小车受到的拉力等于弹簧测力计示数的2倍,不需要满足钩码的质量m远小于小车的质量M的条件,选项B、C正确., 要点总结,(1)在本实验中,必须平衡摩擦力,在平衡摩擦力时,不要把盘和重物系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运动. (2)安装器材时,要调整滑轮的高度,使拴小车的细绳与长木板平行,且连接盘和重物应在平衡摩擦力之后. (3)改变小车的质量或拉力的大小时,改变量应尽可能大一些,但应满足盘和重物的总质量远小于小车和车上砝码的总质量.盘和重物的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%. (4)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,
8、并应先接通电源,再放开小车,且应在小车到达滑轮处前按住小车.,热点二 数据处理与误差分析,例2 2018湖南张家界三模 某同学设计了一个实验探究保持物体所受的合外力不变情况下加速度a与物体质量m的关系,如图S4-3甲所示为实验装置简图.设沙和沙桶的总质量为m,改变小车的质量M,研究小车的加速度a和质量M之间的关系.在平衡摩擦力之后,打点计时器打出的某一条纸带如图乙所示,已知打点计时器所用的交流电的频率为f.试解答下列问题:,图S4-3,变式题 2016全国卷 某物理课外小组利用图S4-4中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系.图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳
9、跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下: (1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫 上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板 上匀速下滑.,图S4-4,(2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行.释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图像,经数据处理后可得到相应的加速度a. (3)对应于不同的n的a值见下表.n=2时的s-t图像如图S4-5所示;由图求出此时小车的加速度(保
10、留2位有效数字),将结果填入下表.,(4)利用表中的数据在图S4-6中补齐数据点,并作出a-n图像.从图像可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比. (5)利用a-n图像求得小车(空载)的质量为 kg.(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8 m/s2),图S4-5,图S4-6,(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是 (填选项前的字母). A.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大,答案 (3)0.39(0.370.49均可) (4)a-n图线如图所示 (5)0.45(0.430.4
11、7均可) (6)BC, 要点总结,(1)a-F图线分析:“验证牛顿第二定律”实验得到的理想a-F图像应是一条过原点的直线,但由于实验误差影响,常出现如图S4-7所示的三种情况(说明见下表).,图S4-7,热点三 实验拓展与创新,例3 2018宁夏石嘴山一模 如图S4-8甲所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置.他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.,图S4-8,(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= mm. (2)下列实验要求中不必要的是 (填选项前的字母
12、). A.应使A位置与光电门间的距离适当大些 B.应将气垫导轨调节水平 C.应使细线与气垫导轨平行 D.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量,变式题 2018江西师大附中模拟 为了探究加速度与力的关系,某同学设计了如图S4-9所示的实验装置,带滑轮的长木板水平放置,板上有两个光电门,相距为d,滑块通过细绳与重物相连,细绳的拉力F大小等于力传感器的示数.让滑块从光电门1处由静止释放,记下滑到光电门2处的时间t.改变重物质量来改变细绳拉力大小,重复以上操作5次,得到下表中5组数据.,图S4-9,根据表中数据在图S4-10的坐标纸上画出a-F图像,由图像可得滑块质量m= kg,滑块和轨道间的动摩
13、擦因数= .(g取10 m/s2,均保留两位有效数字),图S4-10, 要点总结,通过改变实验条件、实验仪器来设计题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现开放性、探究性、设计性等特点. 视角1 实验器材的改进:用气垫导轨替代长木板. 视角2 数据处理方法的改进:小车的加速度可以利用传感器,借助于计算机来处理. 视角3 以本实验为背景,结合牛顿第二定律,测量阻力或两接触面间的动摩擦因数.,1.2018厦门外国语学校模拟 为了进行“验证牛顿第二定律”的实验,现提供如图S4-11甲所示的实验装置.,图S4-11,(1)为了消除小车与水平木板之间的摩擦力的影响,应采取的做法是 (填选项前的字母). A.
14、将木板不带滑轮的一端适当垫高,使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动 B.将木板带滑轮的一端适当垫高,使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动 C.将木板不带滑轮的一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动 D.将木板不带滑轮的一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车能够静止在木板上 (2)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定,研究加速度a与所受外力F的关系,他们在轨道水平和倾斜两种情况下分别做了实验,得到了两条a-F图线,如图乙所示.图线 (选填“”或“”)是在轨道倾斜情况下得到的;小车及车中砝码的总质量m= kg.,2.2018广东佛山二检 如图S4-12所示是研究加速度与合外力的关系的实验装
15、置,力传感器固定在小车上,细线与力传感器相连. (1)关于该实验,下列说法正确的是 (填选项前的字母). A.做实验之前必须平衡摩擦力 B.小车的质量必须比所挂钩码的质量大得多 C.应调节定滑轮的高度使细线与木板平行 D.实验开始时,小车最好离打点计时器远一点,图S4-12,(2)实验中应 (选填“改变”或“不改变”)实验小车的质量, (选填“改变”或“不改变”)钩码的个数,测定纸带上点迹的间距,计算对应的加速度,同时记录 ,通过数据的分析,寻找加速度与合外力间的关系.,3.2018云南师大附中模拟 某同学采用如图S4-13甲所示的装置探究“物体质量一定时,其加速度与合外力的关系”.,图S4-
16、13,(1)某同学由打点计时器得到表示小车运动过程的一条清晰纸带如图乙所示,纸带上相邻两计数点的时间间隔为T=0.10 s,其中s1=7.05 cm,s2=7.68 cm,s3=8.33 cm,s4=8.95 cm,s5=9.61 cm,s6=10.26 cm. 下表列出了打点计时器打下B、C、E、F时小车的瞬时速度,请在表中填入打点计时器打下D点时小车的瞬时速度.,(2)请以A点为计时起点,在图S4-14中画出小车的速度时间关系图线. (3)根据你画出的小车的速度时间关系图线计算出小车加速度a= m/s2.(结果保留两位有效数字),图S4-14,(4)该同学最终所得小车运动的a-F图线如图S
17、4-15所示,从图中我们可以看出图线是一条过原点的直线,根据该图线,下列判断错误的是 (填选项前的字母). A.本实验中小车的质量一定时,其加速度与所受合外力成正比 B.小车的加速度可能大于重力加速度 C.可以确定小车的质量约为0.50 kg D.实验中配重的质量m远小于小车的质量M,图S4-15,4.2018河北衡水中学模拟 如图S4-16甲所示是某同学测量重力加速度的装置.他将质量均为M的两个重物用轻绳连接,轻绳跨过光滑的轻质滑轮,系统处于静止状态.该同学在左侧重物上附加一质量为m的小重物,由于小重物的重力作用而使系统做初速度为零的缓慢加速运动,该同学用某种办 法测出系统运动的加速度并记录
18、下来.完成一次 实验后,换用不同质量的小重物,并多次重复实验, 测出不同m时系统的加速度a并做好记录.,图S4-16,5.在一端带有定滑轮的足够长的水平木板上,小周用物体A、B分别探究了加速度随所受拉力变化的关系,实验装置如图S4-17甲所示(图中打点计时器和纸带未画出).实验过程中小周用不同的重物P分别挂在光滑的轻质动滑轮上,使平行于长木板的细绳分别拉动长木板上的物体A、B由静止开始加速运动(纸带与打点计时器之间的阻力及空气阻力可忽略).实验后进行 数据处理,小周得到了物体A、B的加速 度a与轻质弹簧测力计弹力F的关系图 线分别如图乙中的A、B所示.,图S4-17,(1)由图甲判断,下列说法
19、正确的是 (填选项前的字母). A.弹簧测力计示数等于物体受到的拉力大小 B.实验时应先接通打点计时器电源,后释放物体 C.实验中重物P的质量应远小于物体的质量 D.弹簧测力计的示数始终为重物P的重力大小的一半 (2)小周仔细分析了图乙中两条线不重合的原因,得出结论:两个物体的质量不相等,且mA (选填“大于”“等于”或“小于”)mB;两物体与木板之间的动摩擦因数A (选填“大于”“等于”或“小于”)B.,6.为了验证牛顿第二定律中加速度与力的关系,小光同学设计了如图S4-18所示的实验装置.水平桌面上放置带有加速度传感器的总质量为M的小车,车的两端由轻质细线绕过桌面两端滑轮分别连接总质量为m
20、的多个钩码.实验中,小光每次由左侧取下质量为m的钩码并挂至右侧钩码下方,将小车由静止释放,利用传感器测量小车加速度并逐次记录移动的钩码 质量和相应加速度值.根据多次实 验得出的数据,小光同学作出的a -m图像如图S4-19所示.,图S4-18,图S4-19,(1)根据上述设计,以下说法正确的是 (填选项前的字母). A.由于系统存在摩擦,实验中必须先平衡摩擦力,才能继续进行实验 B.本实验中虽存在摩擦力影响,但无须平衡摩擦力也可进行实验 C.本实验中必须要求Mm D.本实验中无须要求Mm (2)利用实验中作出的a-m图像,可以分析出系统摩擦力大小为 ,加速度a与移动的钩码质量m间存在的关系为
21、.,7.要测量两个质量不等的沙袋的质量,由于没有直接的测量工具,某实验小组选用下列器材:轻质定滑轮(质量和摩擦可忽略)、砝码一套(总质量m=0.6 kg)、细线、刻度尺、秒表.他们根据已学过的物理学知识,改变实验条件进行多次测量,选择合适的变量得到线性关系,作出图线并根据图线的斜率和截距 求出沙袋的质量.请完成下列步骤: (1)实验装置如图S4-20所示,设右边沙袋A的质量为m1,左边 沙袋B的质量为m2. (2)取出质量为m的砝码放在右边沙袋中,剩余砝码都放在 左边沙袋中,发现A下降,B上升.(左、右两侧砝码的总质量 始终不变),图S4-20,1.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,某同
22、学利用如图甲所示的实验装置,将一端带滑轮的长木板固定在水平桌面上,滑块置于长木板上,并用细绳跨过定滑轮与托盘相连,滑块右端连一条纸带,通过打点计时器记录其运动情况.开始时,托盘中放少许砝码,释放滑块,通过纸带记录的数据,得到图乙中的图线a.然后在托盘上添加一个质量为m=0.05 kg的 砝码,再进行实验,得到图乙 中的图线b.已知滑块与长木 板间存在摩擦,在滑块运动 过程中,绳中的拉力近似等 于托盘和所加砝码的重力之和,g取10 m/s2.,(1)通过图像可以得出,先后两次运动的加速度之比为 . (2)根据图像可计算出滑块的质量为 kg.,2.如图所示为“探究加速度与力、质量的关系”实验装置图,利用数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量及小车和砝码的总质量对应关系.钩码的质量为m1,小车和砝码的总质量为m2,重力加速度为g.,(2)实验时,某同学由于疏忽,遗漏了平衡摩擦力这一步骤,测得F=m1g,作出a-F图像,他可能作出的是图中 (选填“甲”“乙”或“丙”)图线.此图线的AB段明显偏离直线,造成此误差的主要原因是 (填选项前的字母). A.小车与轨道之间存在摩擦 B.导轨保持了水平状态 C.钩码的质量太大 D.所用小车和砝码的总质量太大,