第三章实验四学案

1、实验四验证牛顿运动定律回扣耳础知识训练基础竝目过好双基关O基本实验要求1. 实验原理(1) 保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系.(2) 保持合外力不变，探究加速度与质量的关系.1(3) 作出a F图象和a m图象，确定其关系.2. 实验器材小车、砝码、小盘、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺.3. 实验步骤(1) 测量：用天平测量小盘和砝码的质量m '和小车的质量 m.(2) 安装：按照如图1所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力).(3) 平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块

2、薄木块，使小车能匀速下滑(4) 操作：小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，断开电源，取下 纸带编号码. 保持小车的质量 m不变，改变小盘和砝码的质量m',重复步骤. 在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a. 描点作图，作a F的图象.1 保持小盘和砝码的质量m'不变，改变小车质量 m,重复步骤和，作 a图象.mO规律方法总结1 .注意事项(1) 平衡摩擦力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡 小车和纸带受到的阻力.在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着 穿过打点计时器的纸带匀速运动.(2) 不用重复

3、平衡摩擦力.(3) 实验条件：m? m'.(4) 一先一后一按：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先 接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车.2. 误差分析(1) 实验原理不完善：本实验用小盘和砝码的总重力m' g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力.(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、纸带和细绳不严格与木板 平行都会引起误差.3. 数据处理(1) 利用Ax= aT2及逐差法求a.(2) 以a为纵坐标，F为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线， 说明a与F成正比.以a为纵坐标，十

4、为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比.细研老纲和厨趣 占折突破命题点研透命题点命题点一教材原型实验【例11 (2018陕西省宝鸡市一模)某同学利用如图2甲所示装置探究“加速度与力、物体质量的关系”，图中装有砝码的小车放在长木板上，左端拴有一不可伸长的细绳，跨过固定在木 板边缘的滑轮与一砝码盘相连.在砝码盘的牵引下，小车在长木板上做匀加速直线运动，图 乙是该同学做实验时打点计时器在纸带上打出的一些连续的点，该同学测得相邻点之间的距 离分别是X1、X2、X3、X4、X5、X6,打点计时器所接交流电的周期为T小车及车中砝码的总质量为M，砝码盘和盘中砝码的总质量为m，当地

5、重力加速度为 g.纸带运动占向丙图21-1¥-i卜 <1 1咼鬲.(1) 根据以上数据可得小车运动的加速度表达式为a=该同学先探究合外力不变的情况下，加速度与质量的关系，以下说法正确的是A 平衡摩擦力时，要把装有砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上，把木板不带滑轮 的一端缓慢抬起，反复调节直到纸带上打出的点迹均匀为止B 由于小车受到的摩擦力与自身重力有关，所以每次改变小车质量时，都要重新平衡摩擦C 用天平测出M和m后，小车运动的加速度可以直接用公式a= mg求出D .在改变小车质量 M时，会发现M的值越大，实验的误差就越小每次m',并(3) 该同学接下来探究在质量不变

6、的情况下，加速度与合外力的关系他平衡摩擦力后, 都将小车中的砝码取出一个放在砝码盘中，用天平测得砝码盘及盘中砝码的总质量通过打点计时器打出的纸带求出加速度得到多组数据后，绘出如图丙a F图象，发现图象是一条过坐标原点的倾斜直线.图象中直线的斜率表示(用本实验中可测量的量表示 ).(4)该同学在这个探究实验中采用的物理学思想方法为A 理想化模型法B .控制变量法C .极限法D .比值法X6 + X5 + X4 X3 X2 Xi 答案（1严 543219T21（2）D m+M解析(1)为了减小偶然误差，采用逐差法处理数据，有:2 2 2X6 X3= 3aiT , X5 X2 = 3a2T , X4

7、 Xi = 3a3T ,为了更加准确的求解加速度，对三个加速度取平均值得:1a= 3（ai+ a2 + a3）解得:X6+ X5+ X4 X3 X2 Xi a =29T(2) 在该实验中，我们认为细绳的拉力就等于小车所受的合外力，故在平衡摩擦力时，细绳的 另一端不能悬挂装砝码的砝码盘，故A错误；由于平衡摩擦力之后有Mgsin 0=卩Mgos 0,故tan 0=卩所以无论小车的质量是否改变，小车所受的滑动摩擦力都等于小车的重力沿斜面 的分力，改变小车质量时不需要重新平衡摩擦力，故B错误；小车运动的加速度通过纸带求出，不能通过a=mg求出，故C错误；本实验中，只有满足砝码盘和砝码的总质量远小于小

8、车质量M时，才近似认为细绳拉力等于小车所受的合外力，所以在改变小车质量M时，会发现M的值越大，实验的误差就越小，故D正确.对砝码盘和砝码： m' g F = m' a对小车及车中砝码： F = (M + m m' )a联立得：m' g= (M + m)a认为小车及车中砝码所受合力F = m' g所以 f = (M + m)aF1即a=, aF图象是过坐标原点的倾斜直线，直线的斜率表示M + mM + m(4) 该实验采用控制变量法.变式1】(2018广东省深圳市高级中学月考 )某组同学设计了 “探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验如图 3甲为

9、实验装置简图， A为小车，B为电火花计时器，C为 装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度 a可用纸带上打出的点求得.丄C甲A HCDE »-+ ««H6.19 6-707.217.72 单位:cm如图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50 Hz根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为 m/s，小车的加速度大小为 mS2 (结果均保留两位有效数字)(2) 在“探究加速度 a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据都在坐标系中进行了标注，但尚未完成图象(如图丙所示)

10、请继续帮助该同学作出坐标系中的图象.(3) 在“探究加速度 a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因：答案(1)1.63.2(2)见解析图 (3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够解析 B点的瞬时速度为:AB+ BC4T6.19 + 6.70 X 104 X 0.022m/s1.6 m/ s,由逐差法求解小车的加速度,CD + DE AB + BC4 X (2T 27.21 + 7.72 6.19 6.704X (0.04 22X10 /m/s3.2 m/ s2(2)根据描点法作出图象，如图所示:2,

11、0丄|IlliiiiiF 1 y i1 i.Li.LL'，1,1亠 i-l 4 1 I- 1-4 -1 、 k r-i -4=AW ”； h |«IM*iiii! 1 11 1 1 1 zi' iIlliiiii1 1 l/l帀 i-Ji丄，a，肿JL j J .丄1丄il-l-ik k.d.1.B rn T 1b rrii1 raT门T'Ftffl ' rmr m JX ,g.门,s ,丨工s Or llel >ai .|r Uldit> fc-d m 1- HU* i-m-R iTCl T rrnT CY布 riii r mr rri

12、L01.0 2.8)(3) 图线不通过坐标原点，F不为零时，加速度仍为零，则实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够.命题点二教材实验创新实验装置图创新/改进点-J 1一1实验方案的改进：系统总质量不变化，改变 拉力得到若干组数据2用传感器记录小车的时间 t与位移x,直接绘 制x-1图象3利用牛顿第二定律求解实验中的某些参量， 确定某些规律位描传吟嚣|发射曙 位移传感雅（悽收時:1用传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度2图象法处理数据时，用钩码的质量m代替合力F，即用am图象代替a-F图象比电门 光电门1用光电门代替打点计时器，遮光条结合光电 门测得物块的初速度和末速度，由运动学公式 求出加

13、速度2结合牛顿第二定律，该装置可以测出动摩擦 因数弹簧测力计测量小车所受的拉力，钩码的质量 不需要远小于小车质量， 更无需测钩码的质量二沖1 1 1r叨A钩码1气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦力2力传感器测量滑块所受的拉力，钩码的质量 不需要远小于滑块质量，更无需测钩码的质量3用光电门代替打点计时器，遮光条结合光电 门测得滑块的末速度，由刻度尺读出遮光条中 心初始位置与光电门之间的距离，由运动学公 式求出加速度【例2 （2016全国卷川23）某物理课外小组利用图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；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上

14、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：图4(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.(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图象，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图象如图5所示；由图求出此时小车的加 速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表利

15、用表中的数据在图6中补齐数据点，并作出a n图象从图象可以看出：当物体质量 :s:sii>iiiHiiiiiiniiE9iiniisiiiniRiin IB MB r'R MB « !K；!：1!iS!S：!iEaiK!333iiEiiaSSEiS3ia3!E!；一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比.o.as(1.649°2 a 45 (K*0l20图6(5) 利用a n图象求得小车(空载)的质量为 kg(保留2位有效数字，重力加速度取 g2=9.8 ms ).(6) 若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是 (填入正确选项前的标号)A.

16、a n图线不再是直线B . an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(4)见解析图(5)0.44(6)BC解析(3)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动，将题图中点(2,0.78)代入s=fat2可得，a2=0.39 m/s .(4) 根据描点法可得如图所示图线.根据牛顿第二定律可得 nmg= (M + 5m)a，贝U a= 巴匚门，图线斜率k= 巴匚 =¥°,可M + 5mM + 5m 5得 M = 0.44 kg若保持木板水平，则小车受到木板的摩擦力，有nmg M + (5 n)mg = (M + 5m)a'

17、;，得a，=(1+ 即g门俱 则n图象仍为直线，但不过原点，且斜率变大，选项b、C正确.M + 5m【例3 (2018山东省泰安市上学期期中)某实验小组在“探究加速度与物体的质量、受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，实验装置如图 7所示.已知小车质量 M = 261 g,打点 计时器所使用的交流电频率 f= 50 Hz.其实验步骤是：轻质打点计时脐他码盘图7A .按实验装置图安装好实验装置；B 利用垫块调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车(与纸带、细绳和砝码盘相连)能沿长木板向下做匀速运动；C .取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量D .将小车置于打点计时器旁(小车与纸带相连， 开小

18、车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度 E.重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码质量 不同合外力F作用下的加速度.回答以下问题：m;但与细绳和砝码盘不相连)先接通电源，再放a;,重复A、B、C、D步骤，求得小车在(1) 按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？(填“是”或“否” )(2) 实验中打出的其中一条纸带如图8所示，每隔4个点取一个计数点，由该纸带可求得小车的加速度a=m/s2(结果保留三位有效数字)草位:cm(3) 某次实验砝码盘中砝码的重力和对应小车加速度数据如下表次数12345砝码盘中砝码的重力 F/N0.100.150.200.250.30小车的加速

19、度a(m -s2)0.610.801.001.191.38 请根据表中的数据在虚线框中画出a F图象; 造成图线不过坐标原点的最主要原因是 ; 砝码盘的重力大小是 N.答案(1)否(2)0.880(3)见解析图在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力 0.06解析 当小车匀速下滑时有Mg sin 0= Ff+ (m°+ m)g,当取下细绳和砝码盘后，由于重力沿斜面向下的分力 Mgsin 0和摩擦力Ff不变，因此其合外力为(m°+ m)g，由此可知该实验中不 需要砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量.(2)相邻计数点间的时间间隔为T = 0.1 s,在匀变速直线运动中连续相

20、等时间内的位移差为常20.086 4 + 0.077 5 0.068 7 0.060 022数，即 Ax = aT，则有 a =401m/s = 0.880 m/ s .a F图象如图所示A uKW)由图象可知，当合外力为零时，小车有加速度，这说明在计算小车所受的合外力时未计入 砝码盘的重力.根据数学函数关系可知由该图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是砝码盘的重力大 小，为 0.06 N.变式2 (2018河南省鹤壁市第二次段考)学习了传感器之后， 在“研究小车加速度与所受合 外力的关系”实验时，甲、乙两实验小组引进“位移传感器”、“力传感器”，分别用如图9(a)、(b)所示的实验装置实验，

21、重物通过细线跨过滑轮拉相同质量的小车，位移传感器B随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器A固定在轨道一端.甲组实验中把重物的重力作为拉力F，乙组直接用力传感器测得拉力F，改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出a- F图象.位称传感赛位穆传感捲位移传感器位缺感齋(a)(b)(1) 甲组实验把重物的重力作为拉力F的条件为 .(重物质量为 m,小车与传感器总质量为M)图(c)中符合甲组同学作出的实验图象是 ;符合乙组同学作出的实验图象是.(选填“”“”或“”)答案 (1)m? M (2解析 在该实验中实际是：mg = (M + m)a，要满足mg = Ma，应该使重物的质量远小于小车和力传感

22、器的总质量.(2) 在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；由实验原理：mg= Ma，得a=詈，而实际上a'，即随着重物的质量增大，不再满MM + m足重物的质量远远小于小车的质量，所以题图(c)中符合甲组同学做出的实验图象是乙组直接用力传感器测得拉力 F，随着重物的质量增大， 拉力F的测量是准确的，aF关系为一倾斜的直线，符合乙组同学做出的实验图象是.变式3 (2019四川省泸州市质检)如图10甲所示是某同学在探究“物体质量一定时，加速 度与合外力的关系”的实验装置，实验时将小车从光电门A的右侧由静止释放，与光电门连接的数字计时器可以测量遮光片经过光电门A、B所用的时间tA、tB,回

23、答下列问题.光电门光电门汁乙和R 冲遮光片/小车图10(1)下列实验要求必须满足的是 .A 保证沙桶和沙的质量远小于小车的质量 B 保持沙和沙桶的质量不变C .保持穿过光电门的细线与长木板平行D 保持小车的质量不变为测算小车的加速度，实验中还需要测量的物理量有(3) 实验中改变沙和沙桶的质量，得到小车加速度a与测力计示数F的对应关系如图乙所示,图线不经过原点，可能的原因是 .答案(1)CD(2)遮光片的宽度光电门A、B间的距离(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不解析(1)由于该实验装置的连接方式，沙桶和小车不具有共同的加速度，小车是在细线的拉 力作用下加速运动，此拉力可由测力计示数获得，不需要用沙

24、和沙桶的重力来代替，故不要B错误,求沙桶和沙的质量远小于小车的质量，故A错误；根据控制变量法原理可知，探究物体质量定，加速度与合外力的关系时要保持小车的质量不变，改变沙和沙桶的质量，故D正确；保持穿过光电门的细线与长木板平行，使平衡摩擦力后，细线的拉力等于小车受到的合外力，故C正确.已经知道遮光片经过光电门 A、B所用的时间tA、tB,则需要测量遮光片的宽度 d,从而求出经过A、B时的速度，要求出加速度，根据匀变速直线运动位移与速度关系即可求解，所以还要测出光电门 A、B间的距离.(3)图线不通过坐标原点，F不为零时，加速度仍为零，则实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足.命题点三教材实验拓展以“

25、探究加速度与力、质量的关系”为背景测量物块与木板间的动摩擦因数.【例4 (2018广东省惠州市第二次调研)采用图11甲所示的装置测量滑块与长木板间的动摩 擦因数，图示滑块上可放置砝码，实验中，滑块碰到制动装置时，钩码尚未到达地面，已知 打点计时器工作频率为50 Hz.图11(1)实验的部分步骤如下： 用天平称出滑块质量 M和钩码质量m. 将纸带穿过打点计时器，连在滑块后端，用细线连接滑块和钩码； 将滑块停在打点计时器附近，放开滑块，接通电源，滑块拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一系列点，断开开关； 改变钩码的数量，更换纸带，重复的操作.请指出以上实验步骤的重要遗漏与错误：遗漏的步骤是：错误的步骤是：图乙是钩码质量为 m = 0.05 kg，滑块质量为M = 0.06 kg时得到的一条纸带.如图所示为用刻度尺测量某一纸带上的Xi、X2的情况，从图中可读出Xi= 3.10 cm, X2=cm.若滑块运动的加速度大小为 a,重力加速度大小为 g= 9.8 m/s .根据以上相关物理量写出动摩擦因数 的表达式 尸，由纸带上数据可得出尸.（结果保留两位