實驗四驗證牛頓運動定律實驗基礎命題研析實驗基礎落實基礎·提煉精髓●注意事項1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力時,不要把懸掛小盤的細繩系在小車上,即不要給小車加任何牽引力,且要讓小車拖著紙帶勻速運動.2.實驗條件:小車的質量M遠大于小盤和砝碼的總質量m.3.操作要領:改變拉力和小車質量后,每次開始時小車應盡量靠近打點計時器,并應先接通電源,再放開小車,且應在小車到達定滑輪前按住小車.●誤差分析2.摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數點間距測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差.命題研析突破常規·注重創新命題點一常規實驗【典例1】

某組同學設計了“探究加速度a與物體所受合力F及質量m的關系”實驗.圖(甲)為實驗裝置簡圖,A為小車,B為電火花計時器,C為裝有細沙的小桶,D為一端帶有定滑輪的長方形木板,實驗中認為細繩對小車的拉力F等于細沙和小桶的總重力,小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得.(1)圖(乙)為某次實驗得到的紙帶,已知實驗所用電源的頻率為50Hz.根據紙帶可求出電火花計時器打B點時的速度為

m/s,小車的加速度大小為

m/s2.(結果均保留兩位有效數字)

答案:(1)1.6

3.2

(2)在“探究加速度a與質量m的關系”時,某同學按照自己的方案將實驗數據在坐標系中進行了標注,但尚未完成圖像[如圖(丙)所示].請幫助該同學作出坐標系中的圖像.解析:(2)將坐標系中各點連成一條直線,連線時應使直線過盡可能多的點,不在直線上的點應大致對稱地分布在直線的兩側,離直線較遠的點應視為錯誤數據,不予考慮,連線如圖所示答案:(2)見解析(3)在“探究加速度a與合力F的關系”時,該同學根據實驗數據作出了加速度a與合力F的圖線如圖(丁),該圖線不通過坐標原點,試分析圖線不通過坐標原點的原因.答:

.

解析:(3)圖線與橫軸有截距,說明實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠.答案:(3)實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠

(1)在本實驗中,必須平衡摩擦力,在平衡摩擦力時,不要給小車加任何牽引力,并要讓小車拖著打點的紙帶運動.(2)因沒有平衡好摩擦力,會造成a-F圖線為不過原點的傾斜直線.反思總結【典例2】

(2019·貴州貴陽高三質檢)用如圖(甲)所示裝置做“探究物體的加速度跟力的關系”的實驗.實驗時保持小車的質量不變,用鉤碼所受的重力作為小車受到的合力,用打點計時器和小車后端拖動的紙帶測出小車運動的加速度.(1)實驗時先不掛鉤碼,反復調整墊木的位置,直到小車做勻速直線運動,這樣做的目的是

.

解析:(1)使平面軌道的右端墊起,這樣做的目的是讓小車重力沿斜面方向的分力平衡小車運動過程中所受的摩擦阻力.答案:(1)平衡小車運動過程中所受的摩擦阻力(2)圖(乙)為實驗中打出的一條紙帶的一部分,從比較清晰的點跡起,在紙帶上標出了連續的5個計數點A,B,C,D,E,相鄰兩個計數點之間都有4個點跡沒有標出,測出各計數點到A點之間的距離,如圖(乙)所示.已知打點計時器接在頻率為50Hz的交流電源兩端,則此次實驗中小車運動的加速度的測量值a=

m/s2.(結果保留兩位有效數字)

答案:(2)1.0

(3)實驗時改變所掛鉤碼的質量,分別測量小車在不同外力作用下的加速度.根據測得的多組數據畫出a-F關系圖線,如圖(丙)所示.此圖線的AB段明顯偏離直線,造成此現象的主要原因可能是

(選填下列選項的序號).

A.小車與平面軌道之間存在摩擦B.平面軌道傾斜角度過大C.所掛鉤碼的總質量過大D.所用小車的質量過大答案:(3)C

(1)改變小車的質量或拉力的大小時,改變量可適當大一些,但應滿足鉤碼的總質量遠小于小車和車上砝碼的總質量.鉤碼的總質量不超過小車和車上砝碼總質量的10%.(2)不滿足鉤碼的總質量遠小于小車和車上砝碼的總質量,會有a-F圖像的斜率逐漸變小.(3)無論是改變小車質量還是改變拉力大小,同一次實驗均無需重新平衡摩擦力.反思總結題組訓練1.圖(甲)為“驗證牛頓第二定律”的實驗裝置示意圖.沙和沙桶的總質量為m,小車和砝碼的總質量為M.實驗中用沙和沙桶總重力的大小作為細線對小車拉力的大小.(1)實驗中,為了使細線對小車的拉力等于小車所受的合外力,先調節長木板一端滑輪的高度,使細線與長木板平行.接下來還需要進行的一項操作是

(填正確答案標號).A.將長木板水平放置,讓小車連著已經穿過打點計時器的紙帶,給打點計時器通電,調節m的大小,使小車在沙和沙桶的牽引下運動,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動B.將長木板的一端墊起適當的高度,讓小車連著已經穿過打點計時器的紙帶,撤去沙和沙桶,給打點計時器通電,輕推小車,從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運動C.將長木板的一端墊起適當的高度,撤去紙帶以及沙和沙桶,輕推小車,觀察判斷小車是否做勻速運動(2)實驗中要進行質量m和M的選取,以下最合理的一組是

(填正確答案標號).

A.M=200g,m=10g,15g,20g,25g,30g,40gB.M=200g,m=20g,40g,60g,80g,100g,120gC.M=400g,m=10g,15g,20g,25g,30g,40gD.M=400g,m=20g,40g,60g,80g,100g,120g解析:(1)在進行平衡摩擦阻力這一操作時,不應掛沙和沙桶,小車應連接紙帶,A,C錯誤,B正確.(2)只有當小車和砝碼的總質量遠大于沙和沙桶的總質量時,細線的拉力才近似等于沙和沙桶的總重力,C正確.答案:(1)B

(2)C

(3)圖(乙)是實驗中得到的一條紙帶,A,B,C,D,E,F,G為7個相鄰的計數點,相鄰的兩個計數點之間還有四個點未畫出.量出相鄰的計數點之間的距離分別為xAB=4.22cm,xBC=4.65cm,xCD=5.08cm,xDE=5.49cm,xEF=5.91cm,xFG=6.34cm.已知打點計時器的工作頻率為50Hz,則小車的加速度a=

m/s2.(結果保留2位有效數字)

答案:(3)0.422.(2018·河南豫南九校高三第五次質量考評)為了驗證牛頓第二定律,小紅在實驗室找到了有關儀器并進行了組裝,開關閉合前實驗裝置如圖(甲)所示.(1)請指出該實驗裝置中存在的錯誤:①

;

②

.

解析:(1)①電磁打點計時器應該接4～6V交流電源.②小車應從靠近打點計時器處開始釋放,這樣才能獲得更多數據,便于測量和計算.答案:(1)①電磁打點計時器應該接4～6V交流電源②小車應從靠近打點計時器處開始釋放(2)小紅所在的實驗小組,通過討論改進了該實驗裝置.對實驗的原理該小組同學提出了以下觀點:①測量質量:用天平測出小車的質量M②測量合外力:A.摩擦力得到平衡后即可用沙桶(含沙)所受的重力mg來代替小車所受的合外力B.摩擦力得到平衡后還得滿足小車的加速度足夠小,才可用沙桶(含沙)所受的重力來代替小車所受的合外力C.摩擦力得到平衡后還得滿足小車的加速度足夠小,拉力傳感器的讀數才與小車所受的合外力接近相等答案:(2)B

F②該小組通過數據處理作出了a-F圖像,如圖(乙)所示,你認為該圖線不過原點的原因是

.

命題點二創新實驗實驗裝置圖示創新角度分析(1)實驗方案的改進:系統質量不變,改變拉力,得到若干組數據.(2)數據處理的改進:用傳感器記錄小車的時間t與位移s,直接繪制s-t圖像.(3)設問方式的創新:利用牛頓第二定律求解實驗中小車的質量.2016·全國Ⅲ卷,232015全國Ⅱ卷,22(1)實驗器材的改進:利用沿斜面方向的分力提供物塊加速下滑的動力.(2)設問方式的創新:利用牛頓第二定律測量物塊與斜面間的動摩擦因數.

【典例3】

(2015·全國Ⅱ卷,22)某同學用圖(a)所示的實驗裝置測量物塊與斜面之間的動摩擦因數.已知打點計時器所用電源的頻率為50Hz,物塊下滑過程中所得到的紙帶的一部分如圖(b)所示,圖中標出了五個連續點之間的距離.(1)物塊下滑時的加速度a=

m/s2,打C點時物塊的速度v=

m/s;

答案:(1)3.25

1.79

(2)已知重力加速度大小為g,為求出動摩擦因數,還必須測量的物理量是

.

(填正確答案標號).

A.物塊的質量 B.斜面的高度C.斜面的傾角答案:(2)C【典例4】(2016·全國Ⅲ卷,23)某物理課外小組利用圖(甲)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關系.圖中,置于實驗臺上的長木板水平放置,其右端固定一輕滑輪;輕繩跨過滑輪,一端與放在木板上的小滑車相連,另一端可懸掛鉤碼.本實驗中可用的鉤碼共有N=5個,每個質量均為0.010kg.實驗步驟如下:(1)將5個鉤碼全部放入小車中,在長木板左下方墊上適當厚度的小物塊,使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑.(2)將n(依次取n=1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端,其余N-n個鉤碼仍留在小車內;用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車,同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s,繪制s-t圖像,經數據處理后可得到相應的加速度a.(3)對應于不同的n的a值見下表.n=2時的s-t圖像如圖(乙)所示,由圖(乙)求出此時小車的加速度(保留2位有效數字),將結果填入下表.n12345a/(m·s-2)0.200.580.781.00答案:(3)0.39

(4)利用表中的數據在圖(丙)中補齊數據點,并作出a-n圖像.從圖像可以看出:當物體質量一定時,物體的加速度與其所受的合外力成正比.解析:(4)在題圖(丙)中描出數據點(2,0.39),(3,0.58)(5,1.00)并過各數據點作出a-n圖像,如圖所示.答案:(4)a-n圖像見解析

(5)利用a-n圖像求得小車(空載)的質量為

kg(保留2位有效數字,重力加速度取g=9.8m·s-2).

答案:(5)0.44

(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1),下列說法正確的是

(填入正確選項前的標號).

A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線,但該直線不過原點C.a-n圖線仍是直線,但該直線的斜率變大答案:(6)BC題組訓練1.在用DIS研究小車加速度與外力的關系時,某實驗小組用如圖(甲)所示的實驗裝置進行實驗,重物通過滑輪用細線拉小車,在小車和重物之間接一個不計質量的微型力傳感器,位移傳感器(發射器)隨小車一起沿水平軌道運動,位移傳感器(接收器)固定在軌道一端,實驗中力傳感器的拉力為F,保持小車[包括位移傳感器(發射器)]的質量不變,改變重物重力重復實驗若干次,得到加速度與外力的關系如圖(乙)所示(g取10m/s2).(1)小車與軌道的滑動摩擦力Ff=

N(結果保留兩位有效數字).(2)從圖像中分析,小車[包括位移傳感器(發射器)]的質量為

kg(結果保留兩位有效數字).

解析:(1)根據圖像可知,當F=0.67N時,小車開始有加速度,則Ff=0.67N,答案:(1)0.67

(2)0.67

(3)該實驗小組為得到a與F成正比的關系,應將斜面的傾角θ調整到tanθ=

.

解析:(3)為得到a與F成正比的關系,則應該平衡摩擦力,則有Mgsinθ=μMgcosθ解得tanθ=μ,根據Ff=μMg得μ=0.1所以tanθ=0.1.答案:(3)0.12.(2018·福建福州高三期末)某實驗小組應用如圖所示裝置探究加速度與物體受力的關系,已知小車的質量為M,將砝碼及砝碼盤的總質量記為m,打點計時器所接的交流電的頻率為f,定滑輪和動滑輪的質量及其與細線間的摩擦可忽略不計.實驗步驟如下:①如圖(甲)所示安裝好實驗裝置,其中與定滑輪及彈簧測力計相連的細線豎直;②調節砝碼盤中砝碼的質量,輕推小車,使小車能沿長木板勻速運動,記下此時彈簧測力計示數F0;③增加砝碼盤中砝碼的質量,接通電源后,再放開小車,打出一條紙帶,記下彈簧測力計示數F1,由紙帶求出小車的加速度a1;④繼續增加砝碼盤中砝碼的總質量,重復步驟③,求得小車在不同合力作用下的加速度.(1)對于該實驗方案,下列說法正確的是

.

A.②步驟中一定要將木板左端墊高B.與小車相連的細線與長木