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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, ,每次开始时小车应尽量靠
2、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行实验采用如图所示的装置图进行实
3、验. .解解析析: :(1)(1)平平衡衡摩摩擦擦力力时时使使小小车车所所受受重重力力沿沿木木板板方方向向分分力力与与小小车车所所受受摩摩擦擦力力平平衡衡, ,故故A,DA,D项项正正确确,B,B项项错错误误; ;为为确确定定小小车车是是否否为为匀匀速速运运动动, ,需需要要通通过过纸纸带带上上点点迹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.取下沙和沙桶取下沙和沙桶B.B.在空沙桶的牵引下
4、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)实实验验中中, ,已已经经测测出出小小车车的的质质量量为为M,M,沙沙和和沙沙桶桶的的总总质质量量为为m,m,若若要要将将沙沙和和沙沙桶桶的的总总重重力力大大小小作作为为小小车车所所受受拉拉力力F F的的大大小小, ,这这样样做做的的前前提提条条件件是是 .答案答案: :(2)
5、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
6、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、质量的关系解解析析: :(3)(3)本本实实验验是是“探探究究加加速速度度和和力力、质质量量的的关关系系”, ,所所以以不不能能把把牛牛顿顿第第二二定定律律当当成成已已知知的的公公式式来来使使用用, ,故故A A错错误误; ;使使用用打打点点计计时时器器时时, ,应应该该先先接接通通电电源源, ,后后释释放放纸纸带带, ,故故B B正正确确; ;平平衡衡摩摩擦擦力力后后有有=tan =tan ,小小车车质质量量改改变变时时, ,总总
7、满满足足mgsin mgsin =mgcos =mgcos ,与与小小车车质质量量无无关关, ,所所以以不不用用再再次次平平衡衡摩摩擦擦力力, ,故故C C错错误误; ;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
8、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点的点的距离距离( (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
9、: :(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
10、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. .请指出该装置中的错请指出该装置中的错误或不妥之处误或不妥之处( (只要答出其中的两点即可只要答出其中的两点即可):): . . 解解析析: :(1)(1)打打点点计计时时器器应应该该用用交交流流电电源源( (图图中中干干电电池池为为直直流流电电源源););本本实实验验应应该该将将木木板板的的右右端端垫垫高高, ,平平衡衡摩摩擦擦力力;小小车车离离定定滑滑轮轮太太近近( (离离
11、打打点点计计时时器器较较远远),),小小车车应应靠靠近近打打点点计计时时器器且且打打点点计计时时器器应应距距左左端端较较远远, ,这这样样便便于于小小车车运运动动较较长长的的时间时间, ,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. .答答案案: :(1)(1)用用的的是是直直流流电电源源; ;木木板板的的右右端端没没有有垫垫高高; ;小小车车离离打打点点计计时时器器太太远远( (只只要要答出其中的两点即可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
12、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)丙丙同同学学在在利利用用上上述述调调整整好好的的装装置置进进行行实实验验中中, ,保保持持沙沙和和沙沙桶桶的的总总质质量量不不变变, ,小小车车自自身身的的质质量量为为M M且且保保持持不不变变, ,改改变变小小车车中中砝砝码码的的质质量量m,m,并并测测出出小小车车中中放放
13、不不同同质质量量砝砝码码时时所所对对应应的的加加速速度度a,a,以以m m为为横横坐坐标标, , 为为纵纵坐坐标标, ,在在坐坐标标纸纸上上作作出出如如图图( (丙丙) )所所示示的的 -m-m关关系系图图线线, ,图图中中纵纵轴轴上上的的截截距距为为b,b,则则小小车车受受到到的的拉力大小为拉力大小为.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) )为为实验装置图实验装置图,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为一端带有定滑轮的为一端
14、带有定滑轮的长方形木板长方形木板. .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, ,小车运动的小车运动的加速度加速度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) )为为某某次次实实验验得得到到的的纸纸带带, ,纸纸带带上上两两相相邻邻计计数数点点的的时时间间间间隔隔为为0.10 0.10 s,s,由由图图中中数数据据求求出出小小车车加加速速度度值值为为 m/sm/s2 2( (计计算算结结果果保保留留两两位位有有效效数字数字).).答案答案: :(1)0.64 (1)0.6
15、4 (2)(2)保保持持沙沙和和沙沙桶桶的的质质量量不不变变, ,改改变变小小车车质质量量m,m,分分别别得得到到小小车车加加速速度度a a与与质质量量m m及及对对应应的的 数数据据如如表表中中所所示示, ,根根据据表表中中数数据据, ,为为直直观观反反映映F F不不变变时时,a,a与与m m的的关关系系, ,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. .次数次数次数次数1 1 1 12 2 2 23 3 3 34 4 4 45 5 5 56 6 6 67 7 7 78 8 8 8小小小小车车加加加加速度速度速
16、度速度a/(ma/(ma/(ma/(ms s s s-2-2-2-2) ) ) )1.91.91.91.90 0 0 01.71.71.71.72 2 2 21.41.41.41.49 9 9 91.21.21.21.25 5 5 51.01.01.01.00 0 0 00.70.70.70.75 5 5 50.50.50.50.50 0 0 00.30.30.30.30 0 0 0小小小小车质车质量量量量m/kgm/kgm/kgm/kg0.20.20.20.25 5 5 50.20.20.20.29 9 9 90.30.30.30.33 3 3 30.40.40.40.40 0 0 00.5
17、0.50.50.50 0 0 00.70.70.70.71 1 1 11.01.01.01.00 0 0 01.61.61.61.67 7 7 7/kg/kg/kg/kg-1-1-1-14.04.04.04.00 0 0 03.53.53.53.50 0 0 03.03.03.03.00 0 0 02.52.52.52.52.02.02.02.00 0 0 01.41.41.41.40 0 0 01.01.01.01.00 0 0 00.60.60.60.60 0 0 0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
18、质量与质量m m间的定量关系是间的定量关系是 .(4)(4)保保持持小小车车质质量量不不变变, ,改改变变沙沙和和沙沙桶桶质质量量, ,该该同同学学根根据据实实验验数数据据作作出出了了加加速速度度与与合合力力F F图图线线如如图图( (丁丁) )所所示示, ,该该图图线线不不通通过过原原点点, ,明明显显超超出出偶偶然然误误差差范范围围, ,其其主主要要原原因是因是 . . 解解析析: :(4)(4)图图线线不不通通过过坐坐标标原原点点,F,F不不为为零零时时, ,加加速速度度仍仍为为零零, ,可可知知实实验验前前没没有有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足平衡摩擦力或平衡摩擦力不足. .答案答案: :
19、(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【典典例例2 2】 ( (20142014全全国国卷卷,22,22) )某某同同学学利利用用图图(a)(a)所所示示实实验验装装置置及及数数字字化化信信息息系系统统获获得得了了小小车车加加速速度度a a与与钩钩码码的的质质量量m m的的对对应应关关系系图图, ,如如图图(b)(b)所所示示, ,实实验验中中小小车车( (含含发发射射器器) )的的质质量量为为200 200 g,g,实实验验时时选选择择了了不不可可伸伸长长的的轻轻质质细细绳绳和和轻轻定定滑滑轮轮, ,小车的加速度由位移传
20、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 . . . . 解解析析: :(1)(1)根根据据图图中中描描出出的的各各点点, ,作作出出的的图图像像不不是是一一条条直直线线.(2).(2)图图像像不不过过原原点点, ,有拉力但没
21、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
22、)(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. .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
23、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福福建建龙龙岩岩四四校校联联考考) )甲甲、乙乙、丙丙三三个个实实验验小小组组分分别别采采用用如如图图( (甲甲) )、( (乙乙) )、( (丙丙) )所所示示的的实实验验装装置置, ,验验证证“当当质质量量一一定定时时, ,物物体体运运动动的的加加速速度度与与它它所所受受的的合合力力成成正正比比”这这一一物物理理规规律律. .已已知知他他们们使使用用的的小小车车完完全全相相同同
24、, ,小小车车的的质质量量为为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是必须平衡小车和长木板之间的摩擦力的实验小组是.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
25、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次是则甲、乙、丙三组实验对应的图线依次是.解解析析: :(2)(2)乙乙、丙丙两两组组绳绳上上的的力力由由弹弹簧簧测测力力计计和和力力传传感感器器读读出出, ,所所以以不不需需满满足足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)甲甲组组用用重重物物的的重重力力代代替替绳绳子子的的拉拉力力, ,需需满满足足M Mm,m,随随着着m m的的
26、增增大大, ,不不满满足足M Mm m时时, ,图图像像出出现现弯弯曲曲, ,即即甲甲组组对对应应C;C;根根据据拉拉力力相相等等时时,a,a乙乙aa丙丙来来判判断断乙乙组组对应对应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)0.160.360.36(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 H
27、z,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
28、-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) ) 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
29、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1515条刻度线与主尺对齐条刻度线与主尺对齐,d=1 mm+150.05 mm=1.75 mm,d=1 mm+150.05 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
30、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)滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是遮光条经过光电门的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 解解析析: :(3)(3)应应将将气气垫垫导导轨轨调调节节水水平平, ,保保持持细细线线与与导导轨轨平平面面平平行行, ,使使拉拉力力等等于于滑滑块块所所受受合合力力, ,故故A,
31、BA,B正正确确; ;应应使使A A位位置置与与光光电电门门间间的的距距离离适适当当大大些些, ,有有利利于于减减小小误误差差, ,故故D D正正确确; ;拉拉力力是是直直接接通通过过传传感感器器测测量量的的, ,故故与与滑滑块块质质量量和和钩钩码码及及力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
32、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. .
