物理實(shí)驗(yàn)四 驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律

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1、實(shí)驗(yàn)四：驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)學(xué)會(huì)用控制變量法來(lái)研究物理規(guī)律.(2)學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用圖象法處理物理問(wèn)題的方法.(3)探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，進(jìn)而驗(yàn)證牛頓第二定律.2.實(shí)驗(yàn)原理探究加速度 a 與力 F 及質(zhì)量 m 的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用的基本方法是控制變量法.(1)控制小車的質(zhì)量 m 不變，討論_與_的關(guān)系.(2)控制桶和砂的質(zhì)量不變，即力F不變，改變_，討論_與_的關(guān)系.加速度 a力 F小車質(zhì)量 m加速度 a小車質(zhì)量 m3.實(shí)驗(yàn)器材低壓交流天平刻度尺打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶及復(fù)寫紙、小車、一端附有滑輪的長(zhǎng)木板、小桶、細(xì)繩、砂、_電源、_、_、砝碼.4.實(shí)驗(yàn)步驟及器材調(diào)整(1)用天平分別測(cè)出小車和小

2、桶的質(zhì)量 M 和 m，把數(shù)值記錄下來(lái).(2)按圖 S4-1 所示把實(shí)驗(yàn)器材安裝好.圖 S4-1(3)平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板的不帶滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復(fù)移動(dòng)其位置，直至_(填“掛”或“不掛”)小桶的小車剛好在斜面上保持_運(yùn)動(dòng)為止.(4)將小桶通過(guò)細(xì)繩系在小車上，接通電源放開(kāi)小車，使小車運(yùn)動(dòng)，用紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況，取下紙帶，并在紙帶上標(biāo)上號(hào)碼.不掛勻速(5)保持小車的質(zhì)量不變，改變小桶中的砂量，測(cè)量砂和小桶質(zhì)量 m，重復(fù)步驟(4)，每次記錄必須在相應(yīng)的紙帶上做上標(biāo)記，列表格將記錄的數(shù)據(jù)填寫在表內(nèi).(6) 建立坐標(biāo)系，用縱坐標(biāo)表示_ ，橫坐標(biāo)表示_，在坐標(biāo)系上描點(diǎn)，畫出相應(yīng)的圖象以驗(yàn)證

3、_與_的關(guān)系.加速度力aF(7)保持砂及小桶的質(zhì)量不變，改變小車的質(zhì)量(在小車上增減砝碼)，重復(fù)上述步驟(5)、(6)，驗(yàn)證_與_的關(guān)系.加速度 a小車質(zhì)量 M5.數(shù)據(jù)處理(1)利用xaT2及逐差法求 a.(2)以 a 為縱坐標(biāo)，F(xiàn) 為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點(diǎn)，如果這些點(diǎn)在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上，說(shuō)明 a 與 F 成正比.(3)以 a 為縱坐標(biāo)，1m為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、連線，如果該線過(guò)原點(diǎn)，就能判定 a 與 m 成反比.6.注意事項(xiàng)(1)平衡摩擦力：適當(dāng)墊高木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力.在平衡摩擦力時(shí)，不要把小桶系在小車上，而讓小車?yán)螯c(diǎn)的紙帶勻速運(yùn)動(dòng)，且在實(shí)

4、驗(yàn)過(guò)程中，_重復(fù)平衡摩擦力.(2)實(shí)驗(yàn)條件：每次實(shí)驗(yàn)中均要求小車質(zhì)量 M_砂和小桶質(zhì)量 m，只有這樣，才能使?fàn)恳≤嚨臓恳频扔谏凹靶⊥暗闹亓?不需要(3)一先一后一按：改變拉力或小車質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)，小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先_ ，后_，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車.(4)作圖：作圖象時(shí)，應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)在所作的直線上，不在直線上的點(diǎn)盡可能對(duì)稱分布在所作直線的兩側(cè).接通電源釋放小車7.誤差分析(1)系統(tǒng)誤差以小車和小桶整體為研究對(duì)象得 mg(Mm)a；以小車為的總重力 mg 代替小車的拉力，而實(shí)際上小車所受的拉力要小于小桶和砂的總重力.(2)偶然誤差質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測(cè)量

5、不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差.考點(diǎn) 1對(duì)實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)步驟的考查【典題 1】(2017 年山東泰安高三第二輪質(zhì)檢)在“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中，采用如圖 S4-2 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，小車及車中砝碼的質(zhì)量用 M 表示，砂和砂桶的質(zhì)量用 m 表示，小車的加速度可由小車后面拖動(dòng)的紙帶計(jì)算出.圖 S4-2(1)實(shí)驗(yàn)中，為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合外力，先調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板一端滑輪的高度，使細(xì)線與長(zhǎng)木板平行.接下來(lái)還需要進(jìn)行的一項(xiàng)操作是()A.將長(zhǎng)木板水平放置，讓小車連著已經(jīng)穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電.改變砂桶中砂的多少，使小車在砂和砂桶的牽引下運(yùn)動(dòng)，從打出的紙帶判斷小車

6、是否做勻速運(yùn)動(dòng)B.將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，讓小車連著已經(jīng)穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，撤去砂和砂桶，給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)C.將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，撤去紙帶以及砂和砂桶，輕推小車，觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)(2)實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行質(zhì)量 m 和 M 的選取，以下最合理的一組是()A.M200 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 gB.M200 g，m20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gC.M400 g，m10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 gD.M400 g，m20

7、 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g(3)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交變電流頻率為 50 Hz，每相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有 4 個(gè)點(diǎn)未畫出，利用如圖 S4-3 所示給出的數(shù)據(jù)可求出小車運(yùn)動(dòng)的加速度 a_m/s2.(計(jì)算結(jié)果保留 3位有效數(shù)字)圖 S4-3解析：(1)為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合外力，需要平衡摩擦力，其方法是：將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，讓小車連著已經(jīng)穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，撤去砂和砂桶，給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)，故 B 正確.(2)為了使砂和砂桶的重力等于小車所受的拉力，應(yīng)滿足mM，故選 C.答案：(1)B (2)C

8、(3)1.58次序12345質(zhì)量M/g100140180200240加速度a/(ms2)1.000.670.530.480.4010.007.145.56_4.17考點(diǎn) 2對(duì)數(shù)據(jù)處理和誤差分析的考查【典題 2】在用圖 S4-4 所示裝置做“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)中：(1)甲同學(xué)在外力 F 一定的條件下，探究 a 與 M 的關(guān)系時(shí)，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：外力 F0.1 N圖 S4-4圖 S4-5請(qǐng)你完善表中數(shù)據(jù)，并在圖 S4-5 中給出的坐標(biāo)紙上畫出由圖象可得到的結(jié)論是_.(2)乙同學(xué)在探究“加速度與外力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中得到的a-F 圖象如圖 S4-6 所示，則該圖象中圖線不過(guò)原點(diǎn)的原因是

9、_，小車的質(zhì)量為_(kāi)kg(計(jì)算結(jié)果保留 2 位有效數(shù)字).圖 S4-6答案：(1)5.00如圖 D21 所示.圖 D21在外力一定的情況下，物體的加速度與質(zhì)量成反比0.28(0.260.29 均(2)木板傾角過(guò)大(或平衡摩擦力過(guò)度)正確)【遷移拓展】(2014 年新課標(biāo)卷)某同學(xué)利用如圖 S4-7甲所示實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度 a 與鉤碼的質(zhì)量 m 的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖，如圖乙所示.實(shí)驗(yàn)中小車(含發(fā)射器)的質(zhì)量為 200 g，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇了不可伸長(zhǎng)的輕質(zhì)細(xì)繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器及與之相連的計(jì)算機(jī)得到，回答下列問(wèn)題：甲乙圖 S4-7(1) 根據(jù)該同學(xué)的結(jié)果，小車的加速度與鉤碼

10、的質(zhì)量成_(填“線性”或“非線性”)關(guān)系.(2)由圖乙可知，a-m 圖線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，可能的原因是_.(3)若利用本實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)驗(yàn)證“在小車質(zhì)量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結(jié)論，并直接以鉤碼所受重力 mg 作為小車受到的合外力，則實(shí)驗(yàn)中應(yīng)采取的改進(jìn)措施是_，鉤碼的質(zhì)量應(yīng)滿足的條件是_.解析：本題考查了驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn).(1)根據(jù)圖中描出的各點(diǎn)作出的圖象不是一條直線，故小車的加速度和鉤碼的質(zhì)量成非線性關(guān)系.(2)圖象不過(guò)原點(diǎn)，小車受到拉力但沒(méi)有加速度，原因是有摩擦力的影響.(3)平衡摩擦力之后，在滿足鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的條件下，可以得出在小車質(zhì)量不變的情況下拉力與加速度成正

11、比的結(jié)論.答案：(1)非線性(2)存在摩擦力(3)調(diào)節(jié)軌道的傾斜度以平衡摩擦力遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量1.實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新：(1)利用光電門測(cè)滑塊上的遮光條通過(guò)光電門的時(shí)間.(2)利用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板.(3)利用力傳感器測(cè)繩中拉力大小.2.實(shí)驗(yàn)原理的創(chuàng)新：利用力傳感器測(cè)出細(xì)線拉力或選取整體作為研究對(duì)象，消除了因不滿足 mM 而帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差.3.數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新：考向 1利用力傳感器測(cè)量拉力的大小【典題 3】(2016 年廣東江門模擬)如圖 S4-8 所示是某同學(xué)探究加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置.他在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個(gè)光電門 B.滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過(guò)氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，

12、傳感器下方懸掛鉤碼，每次滑塊都從 A 處由靜止釋放.圖 S4-8(1)該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測(cè)量遮光條的寬度 d，如圖 S4-9 所示，則 d_mm.圖 S4-9(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從 A 位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過(guò)光電門 B 的時(shí)間 t，若要得到滑塊的加速度，還需要測(cè)量的物理量是_.(3)下列不必要的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求是_.(請(qǐng)?zhí)顚戇x項(xiàng)前對(duì)應(yīng)的字母)A.應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和力傳感器的總質(zhì)量B.應(yīng)使 A 位置與光電門間的距離適當(dāng)大些C.應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平D.應(yīng)使細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行(4)改變鉤碼質(zhì)量，測(cè)出對(duì)應(yīng)的力傳感器的示數(shù) F 和遮光條通過(guò)光電門的時(shí)間 t，通過(guò)描點(diǎn)作出線性圖象，研究

13、滑塊的加速度與力的關(guān)系，處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)作出_圖象.(填“t2-F”解析：(1)由題圖知第 6 條刻度線與主尺對(duì)齊，d2 mm60.05 mm2.30 mm.(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從 A 位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過(guò)光電門 B 的時(shí)間 t，滑塊經(jīng)過(guò)光電門時(shí)的瞬時(shí)速度可近似認(rèn)為是滑塊經(jīng)過(guò)光電門的平均速度.根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得若要得到滑塊的加速度，還需要測(cè)量的物理量是遮光條到光電門的距離 L.(3)拉力是直接通過(guò)力傳感器測(cè)量的，故與小車質(zhì)量和鉤碼質(zhì)量大小關(guān)系無(wú)關(guān)，故 A 項(xiàng)不必要；應(yīng)使 A 位置與光電門間的距離適當(dāng)大些，有利于減小誤差，故 B 項(xiàng)必要；應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平，拉力才等于合力，故

14、C 項(xiàng)必要；要保持拉線方向與木板平面平行，拉力才等于合力，故 D 項(xiàng)必要.故選 A.答案：(1)2.30 (2)遮光條到光電門的距離 L (3)A考向 2選擇整體作為研究對(duì)象【典題 4 】(2016 年新課標(biāo)卷) 某物理課外小組利用圖S4-10 中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系.圖中，置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的長(zhǎng)木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過(guò)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(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有 N5 個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010 kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將 5 個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長(zhǎng)木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑.

15、圖 S4-10(2)將 n(依次取 n1,2,3,4,5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余 Nn 個(gè)鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻 t 相對(duì)于其起始位置的位移 s，繪制 s-t 圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度 a.n12345a/(ms2)0.20_0.580.781.00(3)對(duì)應(yīng)于不同的 n 的 a 值見(jiàn)下表.n2 時(shí)的 s-t 圖象如圖S4-11 甲所示；由圖甲求出此時(shí)小車的加速度(計(jì)算結(jié)果保留 2位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表.(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖乙中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出 a-n 圖象.從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí)，物體的加速度

16、與其所受的合外力成正比.甲乙圖 S4-11(5)利用 a-n 圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為_(kāi)kg(計(jì)算結(jié)果保留 2 位有效數(shù)字，重力加速度 g 取 9.8 m/s2).(6)若以“保持木板水平”來(lái)代替步驟(1)，下列說(shuō)法正確的是 _(填正確選項(xiàng)前的序號(hào)).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(guò)原點(diǎn)C.a-n 圖線仍是直線，但該直線的斜率變大當(dāng) t2 s 時(shí)，s0.78 m，代入解得 a0.39 m/s2.(4)由題意知描點(diǎn)法作圖所得的必須是一條直線.(5)對(duì)于掛在下面的 n 個(gè)鉤碼，有 nmgFnma；對(duì)于小車(含剩下的鉤碼)，有 FM(Nn)ma；兩式相加得 nmg

17、(MNm)a；(6)木板水平時(shí)要考慮摩擦力的影響，對(duì)于掛在下面的 n 個(gè)鉤碼，有 nmgFnma；對(duì)于小車(含剩下的鉤碼)，有 F M(Nn)mgM(Nn)ma；兩式相加得 nmgM(Nn)mg(MNm)a，去中括號(hào)得 n(mgmg)(MNm)g(MNm)a，移項(xiàng)化簡(jiǎn)得 n(mgmg)(MNm)(ag)，可見(jiàn) a-n 圖象仍是一條直線，但其斜率要變大，且不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn).答案：(3)0.39(0.370.49 均正確)(4)如圖 S4-12 所示.(5)0.45(0.430.47 均正確)(6)BC圖 S4-12方法技巧：本實(shí)驗(yàn)還可以從以下兩個(gè)方面創(chuàng)新：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新：測(cè)木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù).(2)實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新利用位移傳感器測(cè)物體的位移.利用傳感器測(cè)物體的速度或加速度.