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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 命题研析命题研析 实验基础实验基础 落实基础落实基础提炼精髓提炼精髓 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. . 误差分析误差分析 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绳不严格与木板平行都会引起误差. . 命题研析命题研析 突破常规突破常规注重创新注重创新 命题点一 常规实验命题点一 常规实验 【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, ,采用如图采
3、用如图( (甲甲) )所示的装置图进行所示的装置图进行 实验实验. . (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.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 答案答案
4、: :(1)AD (1)AD 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. . (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小车所受拉
5、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 答案答案: :(3)BD (3)BD 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器时, ,应该先接通电源应该先接通电源, , 后释放小车后释放小车, ,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 mgsi
6、n =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. . (4)(4)如图如图( (乙乙) )为某次实验打出的一条纸带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
7、( (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).). 答案答案: :(4)1.18 (4)1.18 (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( (丙丙) )的图线的图线(M(M为小车和砝码的总质为小车和砝码的总质 量量),),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 . . 答案答案: :(5)(5)长木板倾角过大长木板倾角过大 解析解析: :(5)(5)纵截距不为零纵截距
8、不为零, ,即小车质量即小车质量M M非常大时非常大时, ,小车仍有加速度小车仍有加速度, ,说明小车不说明小车不 受拉力作用时也具有加速度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. . 方法技巧方法技巧 实验中的注意点实验中的注意点 (1)(1)改变小车质量时改变小车质量时, ,不需要重新平衡摩擦力不需要重新平衡摩擦力. . (2)(2)平衡小车摩擦力后平衡小车摩擦力后, ,细绳的拉力即为小车的合外力细绳的拉力即为小车的合外力. . 题组训练题组训练 1.1.为了为了“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”,
9、,现提供如图现提供如图( (甲甲) )所示的实验装置所示的实验装置: : (1)(1)以下实验操作正确的是以下实验操作正确的是 . . A.A.将木板不带滑轮的一端适当垫高将木板不带滑轮的一端适当垫高, ,使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做 匀速运动匀速运动 B.B.调节滑轮的高度调节滑轮的高度, ,使细线与木板平行使细线与木板平行 C.C.先接通电源先接通电源, ,后释放小车后释放小车 D.D.实验中小车的加速度越大越好实验中小车的加速度越大越好 解析解析: :(1)(1)将不带滑轮的木板一端适当垫高将不带滑轮的木板一端适当垫高, ,在不挂砝码及砝码盘的情况
10、下使在不挂砝码及砝码盘的情况下使 小车恰好做匀速运动小车恰好做匀速运动, ,以使小车的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消以使小车的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消, ,那么小车那么小车 的合力就是细线的拉力的合力就是细线的拉力, ,故选项故选项A A错误错误; ;细线的拉力为小车的合力细线的拉力为小车的合力, ,所以应调节所以应调节 定滑轮的高度使细线与木板平行定滑轮的高度使细线与木板平行, ,故选项故选项B B正确正确; ;实验时实验时, ,应使小车靠近打点计应使小车靠近打点计 时器由静止释放时器由静止释放, ,先接通电源先接通电源, ,后释放小车后释放小车, ,故选项故选项C C正确正确; ;实验时
11、实验时, ,为了减小实为了减小实 验的误差验的误差, ,小车的加速度应适当大一些小车的加速度应适当大一些, ,但不是越大越好但不是越大越好, ,故选项故选项D D错误错误. . 答案答案: :(1)BC (1)BC (2)(2)在实验中得到一条如图在实验中得到一条如图( (乙乙) )所示的纸带所示的纸带, ,已知相邻计数点间的时间间隔为已知相邻计数点间的时间间隔为 T=0.1 s,T=0.1 s,且间距且间距x x1 1,x,x2 2,x,x3 3,x,x4 4,x,x5 5,x,x6 6已量出分别为已量出分别为3.09 cm,3.43 cm,3.77 cm,3.09 cm,3.43 cm,3
12、.77 cm, 4.10 cm,4.44 cm,4.77 cm,4.10 cm,4.44 cm,4.77 cm,则小车的加速度则小车的加速度a=a= m/sm/s2 2.(.(结果保留结果保留 两位有效数字两位有效数字) ) 答案答案: :(2)0.34 (2)0.34 (3)(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定, ,探究加速度探究加速度a a与所受外力与所受外力F F的的 关系关系, ,他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验, ,得到了两条得到了两条a-Fa-F图线图线, , 如图如图( (丙丙) )
13、所示所示. .图线图线 ( (选填选填“”或或“”) )是在轨道倾斜情况下得到是在轨道倾斜情况下得到 的的; ;小车及车中砝码的总质量小车及车中砝码的总质量m=m= kg. kg. 答案答案: :(3)(3) 0.50.5 2.2.某实验小组利用如图某实验小组利用如图( (甲甲) )所示的装置进行所示的装置进行“探究加速度与合外力的关系探究加速度与合外力的关系” 的实验的实验. . (1)(1)在实验中在实验中 以平衡摩擦力以平衡摩擦力, ,当小车当小车 运动时运动时, ,摩擦力恰好被摩擦力恰好被 平衡平衡. . 答案答案: :(1)(1)倾斜木板 匀速直线倾斜木板 匀速直线 解析解析: :(
14、1)(1)把木板不带滑轮的一端适当垫高把木板不带滑轮的一端适当垫高, ,使不挂钩码的小车匀速运动使不挂钩码的小车匀速运动. . (2)(2)为了减小误差为了减小误差, ,在平衡摩擦力后在平衡摩擦力后, ,每次实验必须通过改变钩码的个数来改每次实验必须通过改变钩码的个数来改 变小车所受合外力变小车所受合外力, ,获取多组数据获取多组数据. .若小车质量为若小车质量为400 g,400 g,实验中每次所用的钩实验中每次所用的钩 码总质量范围应选码总质量范围应选 组会比较合理组会比较合理.(.(填选项前的字母填选项前的字母) ) A.10A.1040 g40 g B.200B.200400 g400
15、 g C.1 000C.1 0002 000 g2 000 g 解析解析: :(2)(2)由于实验中用钩码的重力代替小车所受拉力由于实验中用钩码的重力代替小车所受拉力, ,应使钩码质量远小于应使钩码质量远小于 小车质量小车质量, ,选项选项A A正确正确. . 答案答案: :(2)A(2)A (3)(3)实验中打点计时器所使用的是频率为实验中打点计时器所使用的是频率为50 Hz50 Hz的交流电源的交流电源, ,图图( (乙乙) )中给出的是中给出的是 实验中获取的纸带的一部分实验中获取的纸带的一部分:1,2,3,4,5:1,2,3,4,5是计数点是计数点, ,每相邻两计数点间还有每相邻两计数
16、点间还有4 4个个 打点未标出打点未标出, ,每两个计数点间的时间间隔是每两个计数点间的时间间隔是 s,s,由该纸带可求得小车的由该纸带可求得小车的 加速度加速度a=a= m/sm/s2 2( (结果保留两位小数结果保留两位小数). ). 答案答案: :(3)0.1(3)0.1 1.071.07 解析解析: :(3)(3)打点周期为打点周期为0.02 s,0.02 s,因此两计数点间的时间间隔为因此两计数点间的时间间隔为 0.1 s,0.1 s,由逐差由逐差 法可得小车加速度法可得小车加速度a=1.07 m/sa=1.07 m/s2 2. . (4)(4)改变钩码的个数重复实验改变钩码的个数重
17、复实验, ,得到加速度得到加速度a a与合外力与合外力F F的关系如图的关系如图( (丙丙) )所示所示, ,分分 析线段析线段OA,OA,可得出的实验结论是可得出的实验结论是 . . 解析解析: :(4)(4)图图( (丙丙) )中图线中图线OAOA段加速度随外力段加速度随外力F F均匀增加均匀增加, ,即物体加速度与所受的即物体加速度与所受的 作用力成正比作用力成正比. . 答案答案: :(4)(4)在质量不变的条件下在质量不变的条件下, ,物体的加速度与所受的作用力成正比物体的加速度与所受的作用力成正比 命题点二 创新实验命题点二 创新实验 【典例典例2 2】 ( (20142014全国
18、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所示实验装置及数字化信 息系统获得了小车加速度息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, ,实验实验 中小车中小车( (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实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定 滑轮滑轮, ,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: : (1)(1)根据该同学的结果根据该同学的
19、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”或或 “非线性非线性”) )关系关系. . (2)(2)由图由图(b)(b)可知可知,a,a- -m 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 . . (3)(3)若利用本实验装置来验证若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下在小车质量不变的情况下, ,小车的加速度与作用小车的加速度与作用 力成正比力成正比”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, ,则实验中则实验中 应采取的改进措施是应采取的改进措施是 , ,钩码
20、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: :(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.(3).(3)完全平衡摩擦力之后完全平衡摩擦力之后, ,在满足在满足 钩码质量远小于小车质量的条件下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作用力成正比的结论. . 答案答案: :(1)(1)非线性非线性 (2)(2)实验
21、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)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 a- -m m图线的形状特征图线的形状特征. . 题组训练
22、题组训练 1.1.在用在用DISDIS研究小车加速度与外力的关系时研究小车加速度与外力的关系时, ,某实验小组先用如图某实验小组先用如图( (甲甲) )所示的所示的 实验装置实验装置. .重物通过滑轮用细线拉小车重物通过滑轮用细线拉小车, ,位移传感器位移传感器( (发射器发射器) )随小车一起沿倾随小车一起沿倾 斜轨道运动斜轨道运动, ,位移传感器位移传感器( (接收器接收器) )固定在轨道一端固定在轨道一端. .实验时将重物的重力作为实验时将重物的重力作为 拉力拉力F,F,改变重物重力重复实验四次改变重物重力重复实验四次, ,列表记录四组数据列表记录四组数据: : 2 s (1)(1)在图
23、在图( (丙丙) )所示的坐标纸上作出小车加速度所示的坐标纸上作出小车加速度a a随拉力随拉力F F变化的图线变化的图线. . (2)(2)从所得图线分析该实验小组在操作过程中的不当之处从所得图线分析该实验小组在操作过程中的不当之处 . . 答案答案: :(1)(1)见解析图见解析图 (2)(2)轨道倾角过大轨道倾角过大( (或平衡摩擦力过度或平衡摩擦力过度) ) 解析解析: :(1)(1)根据已知数据根据已知数据, ,画出小车加速度画出小车加速度a a和拉力和拉力F F的关系图线如图所示的关系图线如图所示. . (2)(2)由图像可知由图像可知, ,当小车拉力为零时当小车拉力为零时, ,已经
24、产生了加速度已经产生了加速度, ,故在操作过程中轨道故在操作过程中轨道 的倾角过大的倾角过大, ,平衡摩擦力过度平衡摩擦力过度. . (3)(3)如果实验时如果实验时, ,在小车和重物之间接一不计质量的微型力传感器来测量拉力在小车和重物之间接一不计质量的微型力传感器来测量拉力F,F, 实验装置如图实验装置如图( (乙乙) )所示所示, ,从理论上分析从理论上分析, ,该实验图线的斜率将该实验图线的斜率将 .(.(选填选填 “变大变大”“”“变小变小”或或“不变不变”) ) 答案答案: :(3)(3)变大变大 2.2.为了探究加速度与力、质量的关系为了探究加速度与力、质量的关系, ,甲、乙、丙三
25、位同学分别设计了如图甲、乙、丙三位同学分别设计了如图( (甲甲) )、 ( (乙乙) )、( (丙丙) )所示的实验装置所示的实验装置, ,小车总质量用小车总质量用M M表示表示(乙乙) )图中图中M M包括小车与包括小车与 传感器传感器,(,(丙丙) )图中图中M M包括小车和与小车固连的滑轮包括小车和与小车固连的滑轮,钩码总质量用钩码总质量用m m表示表示. . 解析解析: :(1)(1)三套装置中摩擦力均对实验结果产生影响三套装置中摩擦力均对实验结果产生影响;(;(甲甲) )中用钩码重力代替中用钩码重力代替 拉力拉力, ,需满足需满足m mM,M,而而( (乙乙) )、( (丙丙) )拉
26、力可直接读出拉力可直接读出, ,选项选项B,CB,C正确正确. . 答案答案: :(1)BC(1)BC (1)(1)为便于测量合外力的大小为便于测量合外力的大小, ,并得到小车总质量一定时并得到小车总质量一定时, ,小车的加速度与所小车的加速度与所 受合外力成正比的结论受合外力成正比的结论, ,下列说法正确的是下列说法正确的是 . . A.A.三组实验中只有三组实验中只有( (甲甲) )需要平衡摩擦力需要平衡摩擦力 B.B.三组实验都需要平衡摩擦力三组实验都需要平衡摩擦力 C.C.三组实验中只有三组实验中只有( (甲甲) )需要满足所挂钩码的总质量需要满足所挂钩码的总质量m m远小于小车的总质
27、量远小于小车的总质量M M D.D.三组实验都需要满足所挂钩码的总质量三组实验都需要满足所挂钩码的总质量m m远小于小车的总质量远小于小车的总质量M M (2)(2)图图( (丁丁) )是用图是用图( (甲甲) )装置中打点计时器所打的纸带的一部分装置中打点计时器所打的纸带的一部分,O,A,B,C,D,O,A,B,C,D和和E E 为纸带上六个计数点为纸带上六个计数点, ,加速度大小用加速度大小用a a表示表示. .则则ODOD间的距离为间的距离为 cm. cm.图图 ( (戊戊) )是根据实验数据绘出的是根据实验数据绘出的s s- -t t2 2图线图线(s(s为各计数点至同一起点的距离为各
28、计数点至同一起点的距离),),则加速则加速 度大小度大小a=a= m/sm/s2 2( (保留三位有效数字保留三位有效数字).). 答案答案: :(2)1.20(2)1.20 0.934(0.9320.934(0.9320.9350.935均可均可) ) (3)(3)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和弹簧测力计读数相同若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和弹簧测力计读数相同, ,通过通过 计算得到小车加速度均为计算得到小车加速度均为a,ga,g为当地重力加速度为当地重力加速度, ,则乙、丙两位同学实验时所则乙、丙两位同学实验时所 用小车总质量之比为用小车总质量之比为 . . 解析解析: :(3)(3)由于图由于图( (乙乙) )、( (丙丙) )中力传感器示数与弹簧测力计示数相同中力传感器示数与弹簧测力计示数相同, ,则则( (丙丙) ) 中小车拉力是中小车拉力是( (乙乙) )中的中的2 2倍倍, ,而小车加速度相同而小车加速度相同, ,由此可知乙、丙两位同学所由此可知乙、丙两位同学所 用小车质量比为用小车质量比为12.12. 答案答案: :(3)12(3)12 点击进入点击进入 综合检测综合检测